Professor Dr. Dr. Christoph Cremer vom Kirchhoff-Institut für Physik
der Universität Heidelberg erfüllt mit seinem weltweit schnellsten
Superresolution Mikroskop Vertico-SMI die eigentliche Anforderung der Anwender
im Bereich der Molekularbiologie und Medizin: Die Möglichkeit herkömmliche
Fluoreszenzfarbstoffe wie GFP für lebende Zellverbünde zu verwenden. Die
Methoden stoßen in Europa und den USA auf großes Interesse, aber auch in vielen
anderen Ländern, bis hin zu China und Japan. Für die Verwertung seiner
Nanoimaging-Verfahren arbeitet Prof. Cremer mit der Innovationsmanagerin Dr.
Andrea Nestl von der Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH in Karlsruhe
zusammen (beide im Bild).
1. Forscherverbünde in der ganzen Welt ringen um den besten Blick in
die molekulare Welt der Zelle. Womit setzten Sie als Pionier auf dem Gebiet der
Superresolution Mikroskopie neue Maßstäbe? Professor Dr. Dr. Christoph Cremer: Wir
realisieren die Super Resolution Mikroskopie durch die Verbindung von
Lokalisationsmikroskopie SPDM und Strukturierter Beleuchtung SMI, wobei wir nur
mit den üblichen, jahrzehntelang etablierten Fluoreszenzfarbstoffen arbeiten.
Die wichtigsten sind natürliche Fluoreszenzproteine wie GFP, synthetische wie
Alexa-Fluoreszenzfarbstoffe 488, 568, 647 und dem in der Augenheilkunde zur
Diagnose von Hornhauterkrankungen eingesetzten Fluorescein.
Mit unserem Weitfeldmikroskop
Vertico SMI gelingt es uns sogar mehrere, sogar
lebende Zellen gleichzeitig im molekularen Detail zu untersuchen. Wir
erreichen hierbei eine Auflösung von 10 nm in 2D und 40 nm in 3D unter
Verwendung sichtbaren Laserlichts. Für die schnelle Aufnahme- und
Prozessierungsgeschwindigkeit der Bilder haben wir eine spezielle Software
patentrechtlich geschützt, mit der wir wenige Minuten nach der Aufnahme schon
das druckfähige Bild erhalten.
2. Für Forschungsexperimente in der Zelle spielt das
Nobelpreis-prämierte Leuchtmolekül GFP eine herausragende Rolle. Was bedeutet
es für einen Forscher genau, dass Ihr Nanoskop mit dem gleichen Leuchtmolekül
arbeitet, um Bilder in der derzeit bestmöglichen Auflösung zu erzielen? Professor Dr. Dr. Christoph Cremer: Diese
Markierungstechniken sind für zellbiologische Analysen weltweit in tausenden
biomedizinischer Labors eingeführt und Unmengen solcher Präparate sind
vorhanden. Für Nanoskopaufnahmen mit kommerziellen Super Resolution Mikroskopen
sind diese allerdings nicht geeignet. Dafür muss man alle Präparate mit teuren
schaltbaren Spezialfarbstoffen noch einmal zeitaufwändig neu herstellen.
Mit unserem Vertico-SMI hingegen
ist es nun erstmals möglich bei der gewohnten GFP-Fluoreszenzfarbstoffgruppe zu
bleiben. Das klappt auch mit anderen unveränderten Fluoreszenzfarbstoffen aus
dieser Gruppe wie RFP und YFP. Besonders spannend ist die Co-Lokalisation 2CLM
(2Colour Localisation Microscopy), die wir ebenfalls auf Einzelmolekülebene
durchführen.
3. Um im Zellinneren kleinste Strukturen erkennen zu können, muss
mit Leuchtmolekülen „das Licht eingeschaltet“ werden. Was macht Ihr
Verfahren, welches mit GFP arbeitet, so
clever und spektakulär? Professor Dr. Dr. Christoph Cremer: Der
Clou ist, dass wir uns eine Eigenart der fluoreszierenden GFP-Moleküle zunutze
machen, die bisher als lästiger Störfaktor eingestuft wurde. Werden
GFP-Moleküle mit einer Laserwellenlänge angeregt, reagiert jedes mit einem
einmaligen kurzen Aufblinken innerhalb von zwei Minuten – aber nicht alle
gleichzeitig sondern zeitlich gestreut.
Mit unserer
Lokalisationsmikroskopie SPDMphymod machen wir Tausende von Aufnahmen von immer
neuen Lichterkonstellationen innerhalb der besagten zwei Minuten, woraus sich
dann ein exakt aufgelöstes „kartografisches“ Bild ergibt.
Praktisch auch, dass wir durch
dieses Blinking-Phänomen im Gegensatz zu dem Einsatz von schaltbaren oder
photoaktvierbaren Fluoreszenzfarbstoffen mit nur einer einzigen
Laserwellenlänge auskommen.
4. In Zellen Moleküle auf einfache Weise einzeln zählen zu
können, hat das Potenzial, die gesamte molekularbiologische, medizinische und
pharmazeutische Forschung zu revolutionieren. Welche neuen Erkenntnisse darf
die Forschung durch die Cremersche Nanoskopie erhoffen?
Professor Dr. Dr. Christoph Cremer: In
verschiedenen Arbeitskooperationen untersuchen wir ganz neue Strategien zur
Vorbeugung, Risikosenkung und Therapie von Krankheiten. Mit Kardiologen
zusammen forschen wir nanoskopisch auf der Ebene einzelner für die Steuerung
des Herzrhythmus wichtiger Ionenkanäle und können so zur Verbesserung von
Arzneimitteln gegen Herzinfarkt beitragen. In anderen Arbeitskooperationen
möchten wir die Mechanismen der Blut-Hirn-Schranke besser verstehen und
beeinflussen lernen, um so Medikamente zu entwickeln, die diese optimaler
passieren können - ein Lebensgewinn für viele Menschen mit Hirntumoren oder
schweren psychischen Problemen. Bei unseren virologischen Kooperationen können
wir den Andockungsprozess der Viren an die Zellmembran, mit dem das Unheil
seinen Lauf nimmt, häufig sehr viel schneller und einfacher analysieren als mit
herkömmlichen elektronenmikroskopischen Methoden. Für die Entwicklung neuer
Arzneimittel gegen Virusinfektionen wie Grippe oder AIDS ist das ein
erheblicher Vorteil. Derzeit überlegen wir unsere Nanoskopie ebenfalls im
materialwissenschaftlichen Bereich einzusetzen.
5. Entwicklungen von High Tech Mikroskopen sind sehr teuer. Unter
welchen Forschungsbedingungen konnten Sie Ihr Super Resolution Mikroskop
entwickeln? Professor Dr. Dr. Christoph Cremer: Hinter
unserer Entwicklung stecken jahrzehntelange Investitionen. Die erste
Patentanmeldung von 1971, die das Konzept der 4Pi-Mikroskopie betraf, geht auf
die Zeit meiner Diplomarbeit zurück und wurde von meiner Familie finanziert.
Für die weitere Entwicklung haben wir seit 1970 eine kontinuierliche
Forschungsförderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft erhalten. Hinzu kamen
Zuwendungen des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, der Europäischen
Union im Rahmen eines Konsortiums zum Molecular Imaging und von zwei
baden-württembergischen Landesforschungsschwerpunktprogrammen sowie
Doktorandenstipendien des Landes Baden-Württemberg und der DFG. Die Universität
Heidelberg hat über Jahrzehnte hinweg die Infrastruktur, wie Labore und Geräte
und Personalmittel zur Verfügung gestellt.
6. Das Gebiet der lichtoptischen Nanoskopie ist mit derzeit 4 auf
dem Markt kommenden oder befindlichen Super Resolution Mikroskopen nicht
einfach zu durchschauen. Wie hebt sich Ihre Technologie hierbei hervor und wie
sehen Sie die Chancen am Markt? Professor Dr. Dr. Christoph Cremer: Andere
Super Resolution Mikroskope wie ELYRA oder N-STORM können keine
Standardfluorochrome sondern nur photoaktivierbare Fluoreszenzmoleküle
einsetzen. Damit verbunden ist auch der Nachteil einer erheblich kleineren
Aufnahmegeschwindigkeit, so dass keine Aufnahmen von lebenden Zellen mit hohen
Moleküldichten möglich sind. Andere Nanoskope wie STED basieren auf der
Mikroskopie mit fokussiertem Licht und können nur kleine Bereiche schnell
erfassen. Ein Unterschied zur Mehrfarben 3D-SIM Mikroskopie wie OMX ist die
mehr als doppelt so hohe Auflösung, die wir derzeit mit zwei Farben in 3D
erreichen können. Mehr sind geplant.
Unser Vertico-SMI übertrifft die
vergleichbaren Nanoskope dadurch, dass es alle relevanten Features anbietet;
darüber hinaus haben wir auch noch für die komplexe Bildverarbeitung mit
unserer schnellen Software eine Lösung gefunden, die eine on-line
Nanobildgebung ermöglichen.
Unsere Marktchancen sehen wir
äußerst positiv. Da unser Vertico-SMI auf die speziellen zu lösenden Aufgaben
anpassbar, also skalierbar, ist, wird auch sein Preis variieren. Er kann so
deutlich geringer sein als die rund eine Million Euro, die superauflösende
Nanoskope derzeit kosten.
7. Sie haben gleich mehrmals in ihrer Forscherkarriere die
Grenzen dessen, was in der optischen Mikrokopie möglich war, durchbrochen. Was
waren die Meilensteine und wo liegt ihr nächstes Ziel? Professor Dr. Dr. Christoph Cremer: Auf
die bereits erwähnte Patentanmeldung zur Konzeption der 4Pi
Laserscanning-Mikroskopie von 1971 folgte die erste
Laser-UV-Mikrobestrahlungstechnik, um gezielt DNA-Schäden in überlebenden
Zellen auszulösen und damit Untersuchungen zur funktionellen Genomstruktur zu
ermöglichen. Die nächste Stufe war 1978 das Konzept des Konfokalen Laser
Scanning Mikroskops (CLSM) zur Untersuchung fluoreszierender Objekte,
das heute in nahezu jedem molekularbiologischen Institut zu finden ist.
Ein Verfahren, das wir, mein Bruder Thomas und ich, leider nicht patentiert
haben und das dann von verschiedenen Forschergruppen und Firmen realisiert
worden ist. Anfang der 1990er Jahre habe ich mit den Basistechnologien für
meine derzeitige Superresolution Mikroskopie begonnen. Gerade haben wir ein
Manuskript eingereicht, in welchem wir einen weiteren Durchbruch vorstellen.
Seit dem Gewinn des Bwcon-Business-Awards beim
Heidelberger Innovationsforum treibe ich die Vermarktung voran. Dabei erhalte
ich professionelle Unterstützung vom Technologie-Lizenz-Büro
der Baden-Württembergischen Hochschulen, die auch meine Patentfamilien im
Auftrag der Universität Heidelberg betreuen.
Wir danken für das Interview.
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