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Forschende am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY haben gemeinsam mit internationalen Partnern ein neues Lasersystem entwickelt, das die mehrfarbige Zwei-Photonen-Mikroskopie deutlich vereinfachen könnte. Die Technologie basiert auf einem kompakten ultraschnellen Faserlaser und ermöglicht es, mehrere Zelltypen oder -strukturen gleichzeitig sichtbar zu machen und so komplexe Wechselwirkungen im Gewebe zu untersuchen. Der Ansatz könnte auch in der medizinischen Forschung Anwendung finden. Über ihre Ergebnisse berichtet das von Forschenden des Universitätsklinikums Hamburg-Eppendorf (UKE) und des DESY geleitete Team in der Fachzeitschrift Laser & Photonics Reviews.
Die Zwei-Photonen-Mikroskopie ist ein wichtiges Werkzeug der modernen biomedizinischen Forschung. Sie ermöglicht hochauflösende dreidimensionale Einblicke in Gewebe und Zellstrukturen. Besonders leistungsfähig ist die Methode, wenn mehrere Zellbestandteile gleichzeitig in unterschiedlichen Farben dargestellt werden können. In der Praxis ist diese sogenannte mehrfarbige Zwei-Photonen-Mikroskopie jedoch technisch anspruchsvoll, da sie in der Regel mehrere kostspielige Lasersysteme erfordert, die jeweils Licht unterschiedlicher Farben erzeugen.
Die Studie, geleitet von UKE-Wissenschaftler Dr. Andreu Matamoros-Angles (Institut für Neuropathologie) und DESY-Forscher Marvin Edelmann, stellt einen Ansatz vor, der diese Komplexität deutlich reduziert. Statt mehrere Laser zu kombinieren, nutzt das System eine einzige faserbasierte ultraschnelle Laserquelle. Durch gezielte Simulationen und ein speziell entwickeltes optisches Design gelang es den Forschenden, das breite Spektrum der Laserpulse präzise zu formen. So können aus einer einzigen Quelle gleichzeitig mehrere klar definierte Anregungsfarben erzeugt werden, mit denen sich unterschiedliche biologische Strukturen und Dynamiken gezielt untersuchen lassen.
„Das Lasersystem basiert auf einem einzelnen Faserlaser, dessen Spektrum mithilfe einer speziell entwickelten photonischen Kristallfaser verbreitert wird. Der entscheidende Fortschritt besteht darin, dass wir mithilfe von Computersimulationen genau vorhersagen können, welche Farben die Faser erzeugt. Das macht das System reproduzierbar und praxistauglich“, sagt Marvin Edelmann, Erstautor der Studie und Doktorand bei DESY sowie an der Max Planck School of Photonics.
„Diese Technologie wird es ermöglichen, komplexe biologische Prozesse zu untersuchen, an denen mehrere Zelltypen beteiligt sind – etwa im Gehirn oder in Tumorgeweben. Langfristig könnte sie dazu beitragen, Krankheitsmechanismen besser zu verstehen und neue Ansätze für Diagnostik und Therapie zu eröffnen. Solche interdisziplinären Ansätze eröffnen neue Möglichkeiten für neuropathologische Untersuchungen mit hoher zeitlicher Auflösung, die maßgeblich von Fortschritten in der Lasertechnologie abhängen“, sagt Prof. Dr. Markus Glatzel, Direktor des Instituts für Neuropathologie des UKE.
In dem interdisziplinären Projekt arbeiteten Laserphysikerinnen und -physiker des Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) – einer gemeinsamen Einrichtung von DESY, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Hamburg – mit Forschenden des Instituts für Neuropathologie am Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf (UKE) sowie der Universitat de Vic – Universitat Central de Catalunya (UVic-UCC) zusammen, die biologische Probenpräparation und Analysen beisteuerten.
Publikation: Marvin Edelmann, Andreu Matamoros-Angles, Mohsin Shafiq, Mikhail Pergament, Markus Glatzel und Franz X. Kärtner. Deterministic Fiber-Optic Spectral Engineering Enables Three-Color Multiplexed Two-Photon Microscopy. Laser & Photonics Reviews. 2026.
DOI: https://doi.org/10.1002/lpor.202502952
Criteria of this press release:
Journalists
Medicine
transregional, national
Research projects, Research results
German
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