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Histologie

am lebenden Tier

Das Zwei-Photonen-Mikroskop ermöglicht es, dynamische Vorgänge im Inneren von Geweben und Zellen im Detail zu studieren – direkt am lebenden Objekt .

Die oberste Zellschicht der Dünndarmschleimhaut – das Epithel – wird engmaschig von Lymphozyten überwacht. „Alle zwei Minuten tastet ein Lymphozyt jede Epithelzelle ab.“ Professor Andreas Gebert vom Institut für Anatomie der Universität Lübeck weiß das ganz genau. Er hat es mit eigenen Augen gesehen. Ermöglicht wurde das mit einem ganz besonderen Mikroskop: dem Zwei-Photonen-Mikroskop. Damit kann man in ein Gewebevolumen hineinschauen, ohne es zerschneiden zu müssen. „Wir können am Versuchstier und theoretisch auch am Menschen direkt mikroskopische Bildgebung machen, ohne dass wir irgendwelche Farbstoffe oder Marker brauchen“, so Gebert. „Wir benutzen dafür auf der einen Seite spezielles Laserlicht und auf der anderen Seite endogene Fluoreszenzfarbstoffe, also Farbstoffe, die sowieso im Gewebe vorhanden sind. Das ist der besondere Ansatz, den wir hier entwickelt haben.“ Bis zu 100 Mikrometer tief ins Gewebe kann man mit dem besonderen Mikroskop schauen, die Auflösung liegt nah am physikalisch Möglichen, also bei etwa 0,5 Mikrometer.

Lebende Darmschschleimhaut unterm Objektiv

Geberts Forschungsgruppe untersucht im Mausmodell, wie Epithelzellen mit Zellen des Immunsystems während Immunreaktionen miteinander interagieren. Untersuchungsgegenstand ist die Dünndarmschleimhaut. Für die Untersuchung wird eine Maus narkotisiert und beatmet. Durch einen kleinen Bauchschnitt zieht der Untersucher eine Dünndarmschlinge heraus, schneidet sie ein paar Millimeter auf und drückt vorsichtig ein Deckglas an. Darauf richtet er das Mikroskop. Gebert: „Man kann so auf die innere Oberfläche des Darms schauen und hat die Darmschleimhaut vor sich. Wir sehen alle Gewebekomponenten, sämtliche Zellen und auch nicht-zelluläre Komponenten, wie Kollagenfasern, elastische Fasern und Blutgefäße. Auch auf subzellulärer Ebene können wir Details auflösen, zum Beispiel intrazelluläre Transportvesikel. Das Objektiv fährt so dicht ans Gewebe, wie es nötig ist, und liefert mikroskopische Bilder, eine Art Histologie am lebenden Tier.“

Darmzellen in Aktion beobachten

Und das ist noch längst nicht alles. Der Untersucher kann eine bestimmte Ebene einstellen und eine Zeit lang verfolgen. Dadurch lassen sich Bewegungsvorgänge darstellen. Auch Volumen können untersucht, dreidimensional abgebildet und von allen Seiten betrachtet werden. „Darüber hinaus können wir fluoreszenzmarkierte Zellen ins Gewebe einbringen und deren Verhalten, Bewegung und Kontakte, sozusagen als molecular imaging, verfolgen.“ Das sind allerdings Daten, die nicht direkt bei der Aufzeichnung zu sehen sind. Dafür müssen die gewonnen Bilderstapel nachträglich analysiert werden. „Für einen Versuchstag an dem wir Daten gewinnen, schätzen wir mindestens noch mal das Doppelte an Zeit, um die Bilder am Rechner aufzuarbeiten“, so Gebert.

Andreas Gebert



Andreas Gebert
ist Professor für Anatomie an der Universität zu Lübeck. Mit seiner Arbeitsgruppe beschäftigt er sich mit Strukturen und Funktionen, die an der Immunabwehr an Schleimhäuten, insbesondere am Darm, beteiligt sind.

Peter König



Peter König
leitet die Arbeitsgruppe „Lungenbiologie“ am Institut für Anatomie der Universität zu Lübeck. Mit seiner Arbeitsgruppe beschäftigt er sich damit, wie Entzündungsreaktionen in den Atemwegen ablaufen, und wie sich die Atemwege gegen Fremdstoffe und Krankheitserreger schützen.

Dynamik von Entzündungsprozessen

Auf diese Weise haben Gebert und seine Mitarbeiter zum Beispiel die ständige Bewegung von Lymphozyten im Darmepithel beobachtet und Überraschendes zutage gebracht: „Man wusste, die sitzen dort. Dass sie sich aber wie Amöben zwischen den Zellen durch die Deckzellschicht arbeiten und ständig zu allen Epithelzellen Kontakt aufnehmen, war nicht bekannt. Das ist ein völlig neuer Befund.“ Ausgehend von den Beobachtungen im gesunden Gewebe wollen die Wissenschaftler die Situation an der entzündlich veränderten Schleimhaut mit Hilfe des Mikroskops genauer charakterisieren. „Was uns interessiert, ist zu verstehen, wie ein Entzündungsprozess in seiner Dynamik abläuft“, ergänzt Geberts Kollege Dr. Peter König, der sich besonders für die Atemwege interessiert. „Wir kennen Entzündungen bisher nur aus histologischen Schnitten. Da wissen wir, wer daran beteiligt ist. Aber wir haben bisher nicht wirklich verstanden, welche Rolle die jeweiligen Zelltypen einnehmen, eosinophile Granulozyten zum Beispiel. Diese Immunzellen findet man in großer Zahl in den Atemwegen vieler Asthmatiker. Es ist aber bis heute nicht so recht klar, was sie da tun. Wenn wir verstehen würden, was die verschiedenen Zellen wirklich während einer Entzündung machen, dann könnten wir auch sehr viel gezielter eingreifen.“

Schädigung und Reparatur

Ingenieure und Physiker vom Institut für Biomedizinische Optik der Lübecker Universität haben die Gerätefunktionen in Kooperation mit den AnatomieÄrzten noch weiter entwickelt. Dadurch wurde es möglich, Zellen gezielt zu schädigen, ein Vorgang, der unter physiologischen Umständen vermutlich ständig passiert. König: „Wir richten einen zweiten Laser strahl gezielt auf eine einzelne Zelle oder eine Gruppe von Zellen und beobachten, welche Reparaturmechanismen die Zelle einsetzt, wie sich das Epithel regeneriert.“ Hört sich einfach an, ist aber alles andere als das. Um verwertbare Ergebnisse zu bekommen, ist eine gründliche Vorbereitung nötig. „Da sorgt man dafür, dass physiologische Versuchsbedingungen herrschen, dass das Gewebe durchblutet ist und dass kein Ödem entsteht“, so Gebert. Ein gewisses feinmotorisches Talent und Fingerspitzengefühl sind auch vonnöten „Meine Mitarbeiter brauchen etwa ein halbes Jahr, um sich einzuarbeiten. Dazu gehört auch, sich diese feine OP-Technik und die Narkoseführung anzueignen sowie den Umgang mit dem Gerät zu lernen. Erst dann können sie selbstständig damit arbeiten und den jeweiligen Fragestellungen nachgehen.“

 

Dünndarmschleimhaut

Lymphozyt

Oben: Mikroskopischer Blick auf die lebende Dünndarmschleimhaut mittels intravitaler
Autofluoreszenz-2-Photonen-Mikroskopie. Das Mosaik aus Zellen der Deckzellschicht wird dreidimensional abgebildet. Lebensvorgänge, wie die Bewegung von Zellen und Zellorganellen, werden so über mehrere Stunden „live“ verfolgt. Das Bild zeigt eine computergenerierte 3D-Rekonstruktion bei 500facher Vergrößerung aus drei verschiedenen Ansichten.

Unten: Zwischen den Zellen der Dünndarm-Deckzellschicht (blau) schlängelt sich ein Lymphozyt (gelb) hindurch. Aus einem 3D-Movie von 11 Minuten Länge wurden sieben Momentaufnahmen mit verschiedenen Positionen desselben, wandernden Lymphozyten überlagert.

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