Mit einem neuen Algorithmus konnten die WissenschaftlerInnen erstmalig das Schlagen eines Spermienschwanzes über eine längere Zeit präzise in 3D aufzeichnen. Die neu entwickelte Methode besteht aus einem sogenannten 3D-Rekons­truktionsalgorithmus. Er ermöglicht es, eine multifokale Bildgebung mit einem größeren Sichtfeld anzuwenden und so kugel- und fadenförmige Strukturen schnell und genau zu verfolgen. Dazu ist es nicht notwendig, die Proben zu markieren. Mit der neuen ­Methode zeichneten die ForscherInnen erstmalig über eine längere Zeit in 3D das Schlagmuster von einzelnen ­frei schwimmenden Spermien auf; gleichzeitig beobachteten sie die Schwimmbahn. Zudem konnten sie erstmalig eine dreidimensionale Karte des Strömungsprofils um das schlagende Spermium aufzeichnen.

Vorhandene Mikroskope aufrüsten

Die neu entwickelte Methode ist verhältnismäßig kosten­günstig und einfach zu bauen. Dabei wird ein vorhandenes Mikroskop mit einem handelsüblichen Adapter aufgerüstet und bleibt dadurch flexibel. Durch das Wechseln des Objektivs kann das erweiterte System auf die Objekt­größe eingestellt werden, um so Objekte im Nano- bis Millimeterbereich untersuchen zu können.

Mitglieder des Exzellenzclusters Immunosensation 2 ­können die neue Methode bereits anwenden – um beispielsweise 3D-Strömungskarten für die Flimmerhärchen auf Lungenzellen zu bestimmen. Die Härchen schlagen ähnlich wie Spermien und transportieren so Schleim aus der Lunge in den Rachen – Krankheits­­erreger können so hinausbefördert und abgewehrt werden. Mit der neuen Methode könnten die ForscherInnen unter anderem untersuchen, wie die Flimmerhärchen und eine Immunreaktion zusammenarbeiten.

„Uns ist wichtig, dass auch andere Labore die Methode leicht anwenden können, egal, ob sie besondere Kenntnisse in der Bildgebung haben oder nicht“, betont Jan Hansen vom Institut für Angeborene Immunität am Universitätsklinikum Bonn, der Erstautor der Studie. Deshalb wurde die neue Bildanalysemethode als Plug-in für die freie, quelloffene Software „ImageJ“ entwickelt. Die Software hat eine Benutzeroberfläche und erfordert keine Programmierkenntnisse.

Publikation: Jan N. Hansen, An Gong, Dagmar Wachten, René Pascal, Alex Turpin, Jan F. Jikeli, U. Benjamin Kaupp & Luis Alvarez: Multifocal imaging for precise, label-free tracking of fast biological processes in 3D. „Nature Communications“; https://doi.org/10.1038/s41467-021-24768-4