Forschern des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie und des Exzellenzclusters "Mikroskopie im Nanometerbereich" ist es mit Hilfe der STED-Mikroskopie gelungen, das erste Video auf der Nanoskala aus dem Inneren einer lebenden Zelle zu filmen. Mit bis zu 28 Bildern pro Sekunde und einer 4-mal höheren Auflösung als die herkömmlicher Lichtmikroskope konnten sie schnelle Bewegungen winziger Zellbausteine live mitverfolgen. Diese Innovation ermöglicht es,  die Prozesse bei der Signalübertragung zwischen Nervenzellen genauer zu verstehen und weitere Fragen der biologischen und medizinischen Forschung besser zu beantworten.

Um Lebensvorgänge im Inneren einer Zelle detailliert beobachten zu können, bedarf es eines Mikroskops, das eine besonders scharfe Sicht bietet. Elektronen- und Rastermikroskope leisten dies zwar. Sie ermöglichen jedoch keinen Blick ins Innenleben von Zellen. Herkömmliche Lichtmikroskope wiederum verfügen nicht über eine genügend hohe Auflösung. Mit seinem bereits 1994 entworfenen, aber erst seit dem Jahr 2000 eingesetzten  Stimulated Emission Depletion (STED)-Mikroskop konnte Stefan Hell, Direktor am Max-Plack-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen, erstmals die Auflösung der Fluoreszenz-Mikroskopie drastisch steigern und legte so den Grundstein für eine Lichtmikroskopie mit einer Auflösung auf der Nanometerskala.

Hells Innovation besteht darin, dass es ihm gelungen ist, die 130 Jahre alte Abbesche Grenze im Fluoreszenzmikroskop zu überwinden. Das Neue an seinem Verfahren ist, dass die Schärfe nicht mehr durch die Lichtwellenlänge begrenzt ist. Dazu ergänzte Hell die Abbesche Formel um einen entscheidenden Wurzelterm, der nun auch molekulare Auflösungen zulässt. Das erste kommerzielle STED-Mikroskop brachte die Firma Leica im November 2007 auf den Markt.

In der Vergangenheit ist es den Göttinger Wissenschaftlern mit Hilfe des STED-Mikroskops bereits gelungen, einzelne Eiweiß-Komplexe im Abstand von 20 bis 50 Nanometern voneinander getrennt zu sehen. Hierbei handelt es sich um Strukturen, die 1000-mal kleiner sind als ein menschliches Haar. In diesen Momentaufnahmen waren die Zellen jedoch chemisch fixiert und somit in ihren natürlichen Lebensbedingungen eingefroren. Die lange Belichtungszeit für ein einzelnes Bild erlaubte es noch nicht, Bewegungen aufzuzeichnen.

Auf Grund schnellerer Aufnahmetechniken, die die Göttinger Forscher für die STED-Mikroskopie dann entwickelt haben, können sie nunmehr Bewegungsvorgänge innerhalb einer Zelle direkt auf einen Film bannen. Eine verkürzte Belichtungszeit ermöglicht es jetzt, diese Bewegungsabläufe mit einer Auflösung von 65 bis 70 Nanometern aufzuzeichnen.

Das Untersuchungsobjekt der Forscher sind dabei lebende Nervenzellen, oder genauer Vesikel. Das sind kleine Bläschen, die Botenstoffe enthalten, welche für das Zusammenspiel von Nervenzellen von Bedeutung sind: Zwischen den Nervenzellen werden Signale über Botenstoffe übertragen, die von der Senderzelle abgegeben und von der Empfängerzelle erkannt werden. Unter dem Mikroskop konnten die Wissenschaftler mitverfolgen, wie sich die schnellen Vesikel über die gesamte Länge der Nervenendigungen bewegen.

Für die Zukunft planen die Göttinger Forscher, das STED-Mikroskop dahingehend zu optimieren, dass es noch mehr Bilder pro Sekunde liefert, schärfer und sensitiver wird. Außerdem wollen sie die STED-Mikroskopie dazu benutzen, um weitere neurologische Fragestellungen zu lösen und ein detaillierteres Verständnis von  physiologischen Abläufen in Zellen zu erwerben.

Auflösungsgewinn durch STED-Mikroskopie anhand synaptischer Vesikel. Herkömmliche, so genannte konfokale Mikroskope sind nicht in der Lage, Proteine, die zu einzelnen Vesikeln gehören, in der Synapse einer Nervenzelle aufzulösen. Im Gegensatz dazu macht die STED-Mikroskopie diese Moleküle sichtbar - wie hier in der Abbildung rechts das Protein Synaptotagmin.
(Foto: S.W. Hell, MPI für biophysikalische Chemie)

Der fokale Fleck des isoSTED-Mikroskops (unten links) ist nahezu kugelförmig, anders als bei herkömmlicher Mikroskopie (oben links). Mit einer Zwei-Farben-Aufnahme (rechts) lassen sich zwei mitochondriale Proteine, TOM20 (rot) und HSP70 (grün), gleichzeitig in der Zelle betrachten.
(Bild: Schmidt & Egner /MPI für biophysikalische Chemie)

Im STED-Mikroskop (rechts) lassen sich Vesikel, die mit Botenstoffen gefüllt sind, bei einer 3-4 fach höheren Auflösung getrennt voneinander beobachten - anders als im Konfokalmikroskop (links). Der Pfeil zeigt die Vesikelbewegung innerhalb von 35 Millisekunden.
(Foto: S. W. Hell, MPI für biophysikalische Chemie)