2024

Bachelorarbeit

zum Thema:

„Erweiterung eines optischen Kohärenztomographiesystems um eine Fluoreszenzmikroskopie-Anordnung“

Henrik Thiedig

Große Fragen in der Biologie lassen sich oft anhand sehr kleiner Lebewesen beantworten. Wenn Struktur und Funktion gemeinsam, schnell und mit minimalem Schaden abgebildet werden können, werden Modellorganismen zu lebenden Laboratorien.

Diese Arbeit stellt eine multimodale Bildgebungsplattform vor, die optische Kohärenztomographie (OCT) mit Fluoreszenzmikroskopie kombiniert, um den Fadenwurm Caenorhabditis elegans und verwandte Proben zu untersuchen. Modellorganismen sind in der Biomedizin unverzichtbar, da zentrale zelluläre und genetische Mechanismen über Arten hinweg konserviert sind. C. elegans ist besonders leistungsfähig: ein transparenter, etwa 1 mm großer Erwachsener mit einem Durchmesser von etwa 65 µm, der sich für genetische Untersuchungen eignet und für Hochdurchsatz-Experimente gut handhabbar ist. Viele Standardverfahren erfassen jedoch nur 2D-Momentaufnahmen oder erfordern langsame, lichtintensive Aufnahmen, die In-vivo-Studien behindern.

OCT befasst sich mit der strukturellen Seite: Es ist markierungsfrei, berührungslos und liefert schnell volumetrische Bilder mit einer Auflösung im Mikrometerbereich. Die Fluoreszenzmikroskopie trägt zur molekularen Spezifität bei, indem sie bestimmte Zellen, Proteine oder Prozesse durch gezielte Farbstoffe oder Reporter hervorhebt. Durch die Integration dieser beiden Modalitäten, darunter ein hochauflösender OCT-Kern im sichtbaren Lichtbereich, zielte die Dissertation darauf ab, eine gemeinsam registrierte 3D-Anatomie und einen funktionellen Kontrast bei geringer Phototoxizität zu erhalten.

Die Ziele waren dreifach: (i) Entwurf und Implementierung eines robusten OCT-Fluoreszenzsystems, das für die Live-Bildgebung geeignet ist; (ii) Validierung der Leistung an C. elegans durch Quantifizierung der Auflösung, Volumenrate und Photodosis bei gleichzeitiger Demonstration der Lokalisierung spezifischer Zellpopulationen und der Fähigkeit, die Zelldynamik zu verfolgen; und (iii) Einrichtung eines offenen, erweiterbaren Arbeitsablaufs, damit das Instrument über die Biologie von Würmern hinaus auch breiteren Forschungsanforderungen gerecht werden kann. Die daraus resultierende Plattform soll ergänzende Informationen liefern: strukturelle Kontexte aus OCT und gezielte funktionelle Auslesungen aus der Fluoreszenz in einem einzigen, abgestimmten Datensatz.

Kurz gesagt, diese Arbeit stellt ein praktisches Werkzeug für interdisziplinäre Labore vor: eine schnelle, dreidimensionale und minimalinvasive Bildgebung, die das Aussehen von Geweben mit den Aktivitäten der Zellen verknüpft und so klarere Tests von Hypothesen in den Bereichen Entwicklung, Neurobiologie und Krankheitsmodelle ermöglicht.