Biophotonik - Laseranwendungen auf zellulärer Ebene

In unserer Gruppe benutzen wir ultrakurze Laserpulse (~100fs Pulsdauer), um zelluläre Strukturen sichtbar zu machen und untersuchen zu können.Insbesondere im Rahmen der regenerativen Medizin und des Tissue Engineerings gilt es, einzelne Zellen oder Zellverbünde hochauflösend darstellen und u.U. manipulieren zu können. Unsere Gruppe arbeitet daher mit verschiedenen Bildgebungstechniken, wie Multiphotonen-Mikroskopie, konfokale Streulichtmikroskopie oder Optischer Kohärenz und Optischer Projektionstomographie (kurz OCT und OPT).

Fokussiert man ultrakurze Laserpulse mit Mikroskopobjektiven hoher numerischer Apertur (NA>1), so wird die Laserstrahlung auf extrem kleinen Raum stark gebündelt. Dies ermöglicht am Ort des Fokus eine simultane Absorption von Photonen, selbst in normalerweise transparenten Medien. Durch Multiphotonenabsorption werden so Farbstoffe in den beobachteten Zellen angeregt. Durch Aufnahme des Fluoreszenzlichts mittels entsprechender Detektoren können wir so extrem hohe Auflösungen erreichen, vergleichbar mit denen von konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopen.

Im Wesentlichen ergeben sich durch Verwendung der ultrakurzen Laserpulse zum Mikroskopieren drei Vorteile: Zum Einen liegt die Laserwellenlänge im nahen Infrarot (NIR um 800nm), wodurch eine hohe Eindringtiefe in die Zellproben gewährleistet ist. Zum Zweiten kommt es zur Mehrphotonenanregung nur am Ort des Laserfokus, unabhängig vom linearen Absorptionskoeffizienten. Zum Dritten können die ultrakurzen Laserpulse aufgrund ihres breiten Spektrums eine Vielzahl verschiedener Farbstoffe gleichzeitig anregen.

: Laser-perforierte ZMTH3-Zellen, die nach Laserbehandlung Farbstoff aufgenommen haben. Die Laserpulse wurden in einem REBIRTH-Schriftzug appliziert und zeigen, dass nur dort, wo die Laserstrahlung auf die Zellen trifft, diese perforiert werden und die Fremdmoleküle aufnehmen.

: Laser-basierte Zellentkernung. Nach Erfassen der Zellkerngeometrie wird dieser mit dem Laser abgescannt und abgetragen.

Appliziert man mittels desselben Aufbaus energiereichere Pulse in die Zellen, so erreichen die am Fokus entstehenden Intensitäten Schwellen, ab denen hohe Dichten an freien Elektronen generiert werden. Diese hohen Elektronendichten führen letztendlich zur Ablation von den Strukturen im Fokus. Eine “Nanochirurgie“ inmitten von lebenden Zellen wird möglich. Im Gegensatz zu üblicherweise verwendeten Nanosekundenlasern oder UV-Lasern liegen die eingebrachten Energien zwei bis drei Größenordnungen niedriger. Durch den geringen Energieeintrag werden die Begleiteffekte der Laserapplikation auf ein Minimum reduziert und ermöglichen somit ein breites Anwendungsspektrum in Mikroskopie und Zellchirurgie, wie z.B. Gen-Transfektion, d.h. das Einschleusen von Fremdmolekülen wie RNA oder DNA in lebende Zellen.

Ziel unserer Arbeiten sind ein besseres Verständnis der Wechselwirkung von biologischem Material mit den stark-fokussierten Laserpulsen sowie ein Einblick in die Funktion und Aufbau bestimmter subzellulärer Bestandteile sowie die direkte Manipulation einzelner Zellen für eine laser-basierte Zelltherapie, wie sie in der regenerativen Medizin einsetzbar wäre.