Zellviabilität färbungsfrei bestimmen

Wie funktioniert färbungsfreie Viabilitätsbestimmung?

Möglich macht eine färbungsfreie Analyse von Zellen die digitale holografische Mikroskopie (DHM). Hinter der digitalen holografischen Mikroskopen steckt im Gegensatz zu einem herkömmlichen Mikroskop keine optische Linse, die mit der Absorption von Licht durch die Probe arbeitet. Bei der DHM werden Hologramme der Zellen erzeugt, die von einer integrierten Kamera erfasst und durch einen Computer analysiert werden.

Zu Beginn einer Messung wird Licht durch eine Probe gesendet. Wenn Licht durch die Probe fällt, wird ein Teil des Lichts entsprechend dem Brechungsindex der biologischen Struktur gebeugt, während ein anderer Teil durch die Probe fällt, ohne sie zu „sehen“. Nach der Probe interagiert das gebeugte Licht mit dem nicht-gebeugten Licht und erzeugt ein Hologramm. Im Anschluss werden die von einer Kamera erfassten Daten mit einem Computer rekonstruiert. So entsteht ein Bild, was die Probe darstellt.

Bild: Technik der digitalen holografischen Mikroskopie (DHM)
Quelle: anvajo

So kommt es, dass die DHM Methode mehr Informationsgehalt aufweist als ein Standardmikroskop mit einer ähnlichen Auflösung. Da die Interpretation des Bildes, das durch DHM erzeugt wurde, jedoch mit dem menschlichen Auge nur schwer möglich ist, bedarf es weiterer technischen Komponenten. Das fluidlab R-300 von anvajo beispielsweise nutzt für die Interpretation der Messwerte neuronale Netzwerke (CNNs). Diese Algorithmen stellen die Auswertung der Informationen sicher, die das Bild des Mikroskops zur Verfügung stellt.

Was kann ein digitales holografisches Mikroskop?

Die digitale holografische Mikroskopie ist in vielen Feldern des alltäglichen Lebens und Forschens anwendbar. So kommt sie insbesondere bei dem Sichtbarmachen von Partikeln in der Atmosphäre zum Einsatz, aber auch in der Wolkenphysik oder in der Zellbiologie.

Gerade in der Zellbiologie ist sie von großem Nutzen. Beispielsweise verwendet man die digitale holografische Mikroskopie in einigen Geräten für die Zellzählung. Wo reguläre Zellzählungen noch manuell in der Neubauerzählkammer durchgeführt werden müssen, kann die digitale holografische Mikroskopie mit einem erstellten Hologramm Abhilfe schaffen. Durch die unterschiedliche Lichtbrechung werden genaue Daten erstellt, die eine statistisch sichere Identifikation von Zellen ermöglichen. Mit Hilfe von neuronalen Netzwerken werden diese dann erkannt und gezählt, sodass eine manuelle Zellzählung überflüssig ist.

Aber auch Viabilitätsbestimmungen sind durch die innovative Technik problemlos durchführbar. Ganz gleich ob man mit HeLa, Stamm-, CHO-, HEK- oder anderen Zellen arbeitet, ist es oftmals unerlässlich zu wissen, wie groß der Anteil der lebenden Zellen in einer Zellprobe ist, um beispielsweise Zellen in einem Kulturgefäß auszusäen.

Meist werden diese Viabilitätsmessungen noch manuell im Labor durch die Zugabe von einem Farbstoff wie beispielsweise Trypanblau durchgeführt. Das Trypanblau kann die Membran toter Zellen passieren. Die noch intakten Zellen sind nicht gefärbt, sodass die farbigen Zellen bei der Zellzählung unter dem Mikroskop identifizierbar sind.

Im Gegensatz dazu benötigt die Viabilitätsbestimmung mit der DHM keine Farbstoffe. Die Hologramme der Zellen, welche die Technik hervorbringt, enthalten Informationen über die äußere Zellmorphologie und auch über das Zytoplasma der Zellen. Dadurch können Sie das neuronale Netz jeder Zelle analysieren und tote von lebendigen Zellen unterscheiden.

Dies hat vor allem zwei Vorteile für die Nutzer: zytotoxische Effekte von Farbstoffen werden vermieden und die Zellprobe bleibt länger stabil.

Weitere Informationen zur allgemeinen Viabilitätsmessung gibt es hier.

Wer nutzt die digitale holografische Mikroskopie bisher?

Das fluidlab R-300 von anvajo wird seit 2020  über Omnilab vertrieben und von verschiedenen Instituten für ganz unterschiedliche Projekte verwendet. Dabei ist es unter anderem Teil der Krebsforschung am UKE in Hamburg, wird aber beispielsweise auch an der Uni Jena im Institut für medizinische Mikrobiologie bei aktuellen COVID-Forschungen genutzt.

Bild: Das fluidlab R-300 zur Viabilitätsbestimmung. Quelle: anvajo

In Jena ist die Technik in Form des handlichen fluidlab R-300 hauptsächlich als Zellzähler beliebt, da die holografische Mikroskopie genaue Informationen über die Zellkultur bereitgestellt. So sagt eine Omnilab Kundin der Uni Jena in Interview: „Bis jetzt haben wir nur die Zellzählung damit durchgeführt. Was uns besonders gut gefallen hat ist, dass man sich die Zellen auch ansehen kann. Das ist große Klasse. Außerdem ist es für uns wichtig, dass das Gerät die richtigen Zellen zählt und das war bis jetzt auch immer der Fall. Zellklumpen oder andere Partikel werden nicht gezählt.“

Weitere Informationen

Dieser Blogeintrag entstand mit freundlicher Unterstützung der Firma anvajo.

anvajo ist ein aus Dresden stammendes Technologieunternehmen, das innovative Lösungen zur Analyse von Flüssigkeiten entwickelt. Bereits vor acht Jahren ist das Unternehmen als Spin-off der Technischen Universität Dresden entstanden, die seitdem auch wissenschaftlicher Partner des Unternehmens ist.

Bekannt ist anvajo im wissenschaftlichen Bereich insbesondere für die Analyse von Zellen und Flüssigkeiten. Das fluidlab R-300 vereint in einem Gerät einen Zellzähler als auch ein Spektrometer, was dadurch optimal für die Protein-Produktion, die Arbeit mit Zellkulturen und vielen anderen Flüssigkeiten im Labor geeignet ist.

Dabei steht die einfache Anwendung für den Nutzer im Vordergrund. Durch das handliche Laborgerät unterstützt anvajo die Anwender nicht nur bei der Optimierung ihrer Arbeitsprozesse, sondern ermöglicht Wissenschaftlern weltweit standardisierte und validierte Methoden, um ihre Forschungen voranzutreiben.

Mehr Informationen zur digitalen holografischen Mikroskopie und dem fluidlab R-300 finden Sie in unserem Online Shop.

Quellen:

1. Raupach, H. J. Vössing, J. Curtius, S. Borrmann Digital crossed-beam holography for in situ imaging of atmospheric ice particles. in J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 8(9), 796 (2006)
2. Carl, B. Kemper, G. Wernicke und G. von Bally, Parameter-optimized digital holographic microscope for high-resolution living-cell analysis, Appl. Opt. 43, 6536–6544 (2004)