An off-the-shelf light-sheet microscopy ecosystem enables versatile cleared-tissue imaging across scales and applications

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen eine Stadt zu verstehen, indem Sie nur einen einzigen Ziegelstein betrachten oder indem Sie ein Kartenwerk studieren, das zwar die Straßen zeigt, aber nicht die Gebäude. Jahrzehntelang standen Biologen vor einem ähnlichen Problem, wenn sie versuchen wollten, in das Innere von Lebewesen zu sehen. Um die komplizierte Verschaltung eines Gehirns oder die Blutgefäße eines gesamten Organs zu untersuchen, mussten sie das Gewebe normalerweise in dünne, flache Stücke schneiden, wie etwa ein Laib Brot, und jede Scheibe unter einem Mikroskop untersuchen. Diese Methode zerstört die dreidimensionalen Verbindungen, die das Organ zusammenhalten. Ein neuerer Ansatz namens „Tissue Clearing“ löst dies, indem er ganze Organe transparent macht, wie Glas, sodass Licht durch sie hindurchtreten kann. Um jedoch die Details im Inneren dieser klaren, ganzen Organe zu sehen, benötigen Wissenschaftler eine spezielle Art von Mikroskop, das eine dünne Lichtschicht verwendet, um das Objekt Schicht für Schicht abzutasten. Diese Maschinen sind leistungsstark, aber traditionell waren sie teuer, kompliziert zu bauen und auf genau eine spezifische Aufgabe beschränkt.

Einem Forscherteam ist es nun gelungen, eine neue Art der Konstruktion dieser Mikroskope vorzustellen, die die Landschaft der biologischen Bildgebung verändert. Anstatt Labore dazu zu zwingen, sich zwischen verschiedenen teuren Geräten für unterschiedliche Aufgaben entscheiden zu müssen, haben sie ein flexibles Ökosystem aus Werkzeugen geschaffen, das aus gängigen Standardteilen zusammengesetzt werden kann. Dieses System, das sie descSPIM-Advanced nennen, ermöglicht es einem einzelnen Labor, ein Mikroskop nach seinen spezifischen Bedürfnissen maßzuschneidern – sei es, um winzige Details zu sehen, massive Organe auf einmal zu erfassen oder viele verschiedene Farben gleichzeitig zu detektieren. Die Forscher demonstrierten, dass dieselbe grundlegende Konstruktion durch den Austausch einiger weniger Schlüsselkomponenten in vier verschiedene Versionen transformiert werden kann, von denen jede für eine unterschiedliche Herausforderung beim Blick in die unsichtbare Welt in unserem Körper optimiert ist.

Der Kern dieser Arbeit ist die Erkenntnis, dass High-End-Bildgebung nicht hinter den Türen teurer kommerzieller Einrichtungen verschlossen sein muss. Die Forscher begannen mit einem einfachen, erschwinglichen Mikroskopdesign, das sie zuvor entwickelt hatten, und zeigten, wie es aufgerüstet werden kann, ohne bei Null anzufangen. Sie bauten vier spezifische Versionen, um das Konzept zu beweisen. Die erste Version, genannt Galaxy, ist darauf ausgelegt, viele verschiedene Farben gleichzeitig zu sehen. In einem Standardmikroskop, wenn man versucht, zu viele leuchtende Marker gleichzeitig zu betrachten, verschwimmen deren Farben ineinander. Die Galaxy-Version nutzt eine spezielle Kamera, die diese überlappenden Farben trennen kann, was es Wissenschaftlern ermöglicht, bis zu sieben verschiedene biologische Strukturen in einem einzigen Mausembryo zu verfolgen, ohne die Probe mehrfach färben und scannen zu müssen. Diese Fähigkeit eröffnet die Tür zur Kartierung komplexer Interaktionen zwischen verschiedenen Zelltypen in einem einzigen, intakten Volumen.

Die zweite Version, Deepsky genannt, konzentriert sich auf die Schärfe. Während das Basismikroskop gut darin ist, große Strukturen zu sehen, kann es die winzigen Details einzelner Zellen nicht auflösen. Die Deepsky-Konfiguration tauscht hochwertigere Linsen und einen Scanspiegel ein, um das Bild zu schärfen. Die Forscher nutzten diesen Aufbau, um hochauflösende, dreidimensionale Karten von Nieren- und Lungengewebe zu erstellen. Die Bilder waren so klar, dass sie einzelne Zellen zählen und sogar farbverfremdete Bilder erzeugen konnten, die wie traditionelle gefärbte Gewebeschnitte aussehen, jedoch ohne die Notwendigkeit eines physischen Schneidens. Dies beweist, dass ein Labor eine subzelluläre Auflösung erreichen kann – also die feine Architektur von Organen sieht –, ohne ein millionenteures kommerzielles Instrument zu benötigen.

Für Wissenschaftler, die die größten Strukturen sehen müssen, gibt es Fullmoon. Manche Organe, wie ein ganzes Mausgehirn, sind für die Erfassung in einer einzigen Ansicht durch Standardmikroskope einfach zu groß, was Forscher dazu zwingt, hunderte kleiner Bilder zu machen und diese zusammenzufügen – ein Prozess, der Fehler einführen kann. Die Fullmoon-Version nutzt eine Kamera mit großem Sensorformat und einen breiten Lichtstrahl, um ein massives Sichtfeld zu erfassen. Das Team demonstrierte dies durch die Bildgebung eines ganzen Mausgehirns, das auf das Zehnfache seiner ursprünglichen Größe expandiert wurde. Sie erfassten das gesamte expandierte Organ in einer einzigen Aufnahme und vermieden so das komplexe Zusammenfügen (Stitching) und bewahrten die Integrität der Daten. Dies ermöglicht eine vollständige, ununterbrochene Sicht auf ein gesamtes Organsystem.

Schließlich adressierte das Team die Barriere von Kosten und Komplexität mit einer Version namens SLIM. Sie reduzierten das System auf seine einfachste Form, indem sie kompakte Laser-Dioden und eine minimale Anzahl an Teilen verwendeten. Diese Konfiguration kann in nur wenigen Stunden für etwa fünfzehntausend Dollar montiert werden, was nur einem Bruchteil der Kosten anderer Systeme entspricht. Trotz ihrer Einfachheit liefert sie dennoch hochwertige, dreidimensionale Bilder ganzer Embryonen. Diese Version dient als zugänglicher Einstiegspunkt, der es mehr Laboren ermöglicht, mit der Bildgebung von geklärtem Gewebe zu beginnen und ihre Systeme später aufzurüsten, wenn sich ihre Bedürfnisse ändern.

Alle diese verschiedenen Versionen werden durch eine gemeinsame Softwareplattform namens Mission Control Center zusammengehalten. Diese Software fungt als universelle Fernbedienung, die es ermöglicht, dass dasselbe Computerprogramm alle vier Mikroskopkonfigurationen steuert. Das bedeutet, ein Labor kann mit der einfachen SLIM-Version beginnen und, wenn seine Forschungsfragen komplexer werden, die Hardware zu einem Galaxy-, Deepsky- oder Fullmoon-System umkonfigurieren, ohne eine völlig neue Software erlernen oder eine komplett neue Maschine kaufen zu müssen. Die Forscher haben die Baupläne, Teilelisten und die Software öffentlich zugänglich gemacht und laden andere Wissenschaftler dazu ein, ihre Designs zu bauen und zu verbessern.

Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass fortschrittliche, dreidimensionale Bildgebung nicht länger das exklusive Privileg finanzstarker Kernanlagen ist. Indem sie bewiesen haben, dass ein modulares System aus handelsüblichen Teilen ein leistungsstarkes Ökosystem bilden kann, haben die Forscher den Zugang zu diesen mächtigen Werkzeugen demokratisiert. Sie haben gezeigt, dass ein Labor mit dem richtigen Design ein Mikroskop bauen kann, das nicht nur ein einzelfallorientiertes Werkzeug ist, sondern eine vielseitige Plattform, die mit der Wissenschaft wachsen kann. Dieser Wandel bedeutet, dass nun mehr Forscher in der Lage sind, die volle dreidimensionale Komplexität des Lebens zu erforschen – von der kleinsten Zelle bis zum gesamten Organ – mithilfe von Instrumenten, die sie selbst bauen und kontrollieren können.