Visualisierung der Zellschicksalbestimmung mit fortschrittlicher Mikroskopie: Interview mit Dr. Aoki

Fortschrittliche Mikroskopie ist mehr als nur ein Fenster zu den Zellen – sie ist ein Weg, die verborgenen Entscheidungen aufzudecken, die das Leben auf zellulärer Ebene prägen. Wir sprachen mit Dr. Kazuhiro Aoki von der Graduate School of Biostudies der Universität Kyoto, dessen Forschung sich mit den Mechanismen der Zellschicksalsentscheidung beschäftigt: wie Zellen Informationen verarbeiten und ihren Entwicklungsweg wählen.

Nachdem Dr. Aoki die motorisierte, inverse Mikroskopplattform IXplore™ IX85 verwendet hatte, berichtete er über seine Eindrücke, wie das System seine aktuelle Forschung, zukünftige Ziele und ein tieferes Verständnis des Zellverhaltens unterstützt.

Über Dr. Kazuhiro Aoki

Dr. Kazuhiro Aoki promovierte an der Graduiertenschule für Medizin der Osaka University. Nach Forschungs- und Lehrtätigkeiten an den Nationalen Instituten für Naturwissenschaften ist er nun Professor an der Graduiertenschule für Biostudien an der Universität Kyoto. Dr. Aoki forscht im interdisziplinären Bereich der Zellbiologie und Systembiologie. Sein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Visualisierung und Quantifizierung von Informationsverarbeitung und Signaltransduktionsdynamik auf Einzelzellebene mittels Fluoreszenzbildgebung, Optogenetik und Biosensor-Technologien.

Frage: Woran forschen Sie derzeit?

Dr. Aoki: Ich konzentriere mich derzeit auf die Mechanismen der Zellschicksalsentscheidung: wie Zellen verschiedene äußere Einflüsse aus ihrer Umgebung, zum Beispiel Temperatur und Nährstoffe, aufnehmen, diese Informationen innerhalb der Zelle verarbeiten und über ihr weiteres Schicksal entscheiden, etwa Vermehrung, Differenzierung oder Tod.

Selbst wenn Zellen gleich aussehen, besitzt jede einzelne ihre eigene Individualität und Heterogenität. Konventionelle Forschungsmethoden bestehen typischerweise darin, etwa eine Million Zellen zu sammeln, sie zu lysieren und den Durchschnittswert zu analysieren. Mit dieser Methode lässt sich jedoch die Individualität jeder einzelnen Zelle nicht erfassen. Um diese durch die Individualität der Zellen verursachten Unterschiede zu erfassen, beobachten wir jede Zelle einzeln unter dem Mikroskop.

Der starke Wunsch, „die Individualität der Zellen zu sehen“, ist mein Ausgangspunkt. Obwohl die von mir angewandten Methoden schwierig und zeitaufwändig sind, ist es gerade dieser Wunsch, der mich motiviert, meine Forschung fortzusetzen.

Frage: Was hat Sie dazu bewogen, Ihre Forschung auf die Mechanismen der Zellschicksalsentscheidung zu konzentrieren?

Dr. Aoki: Ursprünglich interessierte ich mich für die Signaltransduktion in Krebszellen und versuchte, die entsprechenden Signalwege, die innerhalb der Zellen ablaufen, am Computer zu rekonstruieren. Durch die Kombination von Experimenten und Computersimulationen haben wir Vorhersagen getroffen und diese überprüft. Als wir jedoch versuchten, den zellulären Phänotyp zu beobachten – also wie sich die Zellen tatsächlich verhalten –, stellten wir fest, dass ein einzelnes Computersimulationsmodell viele Aspekte nicht erklären konnte.

Selbst unter gleichen Bedingungen teilen sich einige Zellen, während andere dies nicht tun, und einige bewegen sich, während andere unbeweglich bleiben. Selbst bei in Krebs eindringenden Zellen erfolgt die Infiltration oft nicht durch einzelne Zellen, sondern als kollektive Bewegung. Ich interessierte mich zunehmend für Fragen wie: „Wie verhalten sich Zellen als Gruppe?“ und „Wer ist der Anführer, und wer folgt nur nach?“ Mein starker Wunsch, mithilfe mikroskopischer Bildgebung diese Fragen zu erforschen und zu untersuchen, führte zu meinem Interesse an den Mechanismen der Zellschicksalsentscheidung.

Frage: Was ist Ihnen am wichtigsten, wenn Sie Experimente mit dem Mikroskop durchführen?

Dr. Aoki: Die Individualität und Heterogenität von Zellen kann nur verstanden werden, wenn man sie direkt mit einem Mikroskop betrachtet. Deshalb lege ich größten Wert darauf, jede einzelne Zelle unter dem Mikroskop genauestens zu beobachten.

Da dies oft eine umfangreiche und mühsame Aufgabe werden kann, ist auch die einfache Bedienbarkeit des Mikroskops von größter Bedeutung. Während die Leistung natürlich entscheidend ist, lege ich auch Wert auf eine intuitive Benutzeroberfläche, beispielsweise ein Software-Layout, das zu unserem spezifischen Stil passt.

Frage: Welche Aspekte des neuen IXplore™ IX85 Inversmikroskops waren in Ihren Experimenten besonders effektiv?

Dr. Aoki: Der IXplore IX85 hat unseren Durchsatz verbessert, weil sein weites Sichtfeld es uns ermöglicht, mehr Zellen gleichzeitig zu beobachten. Früher konnten wir nur das Zentrum des Sichtfelds abbilden, sodass Effizienz und Informationsmenge mit heute nicht vergleichbar waren. Die Möglichkeit, hochauflösende Bilddaten über ein weites Sichtfeld gleichzeitig zu erfassen, ist für die mikroskopiebasierte Forschung äußerst effektiv.

Die Funktion Intelligente Schattierungskorrektur für das Zusammenfügen von Bildern ist ebenfalls sehr nützlich. Bei Experimenten zur Beobachtung des Wundheilungsprozesses in kultivierten Epithelzellen mussten wir bisher Dutzende von Bildern manuell aufnehmen und diese anschließend zusammenfügen. Zu diesem Zeitpunkt nahm die Lichtintensität am Rand der Bilder ab, was beim Zusammenfügen zu Unebenheiten führte, die wir manuell korrigieren mussten. Das IX85 korrigiert automatisch ungleichmäßige Beleuchtung, was ein großer Vorteil für Forscher ist, die mit großen Proben oder Geweben arbeiten.

Zusätzlich zu diesen Punkten empfand ich die Bildqualität des Mikroskops als hervorragend. Selbst bei Krebsorganoiden mit schwacher Fluoreszenz ermöglichte die Anwendung der 3D-Dekonvolution auf die aufgenommenen Bilder eine deutliche Darstellung intrazellulärer Aggregate. Ich war überrascht, wie viele Informationen wir aus solch schwach fluoreszierenden Proben extrahieren konnten.

Frage: Wie hat das LUPLAPO25XS-Objektiv mit Silikongelpad Ihre Experimente unterstützt?

Dr. Aoki: Die 25-fache Vergrößerung des Objektivs ist ideal geeignet, um die tieferliegenden Gewebestrukturen – Krebsorganoide und Zysten –, die wir erforschen, zu beobachten. Darüber hinaus macht das Design mit großem Arbeitsabstand und der Minimierung von Brechungsindexfehlanpassungen mit dem Präparat das Objektiv besonders wertvoll, da es die klare Beobachtung tiefer Bereiche der Probe ermöglicht, die bislang nicht zugänglich waren.

Zusätzlich ist das Silikongel-Pad, das ohne Öl zur Immersion auskommt, ein erheblicher Vorteil für mikroskopische Bildgebungsexperimente. Zum Beispiel ist es bei der Suche nach Proben in einer 96-Well-Platte schwierig zu erkennen, wo sich sphärische Strukturen wie unsere Organoide oder Zysten befinden. Dies erfordert einen Arbeitsablauf, bei dem zunächst mit geringer Vergrößerung gesucht und anschließend mit starker Vergrößerung beobachtet wird. Bei der Verwendung eines Ölimmersionsobjektivs mit starker Vergrößerung muss man beim Abwischen und Tropfen von Öl vorsichtig sein, und es besteht auch das Risiko, dass sich Blasen bilden. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Verwendung des Silikongelpads einen reibungslosen Wechsel von geringer zu starker Vergrößerung, ohne die Probe zu kontaminieren, was den gesamten Arbeitsablauf erheblich vereinfacht.

Frage: Welche neuen Ansätze möchten Sie in Ihrer zukünftigen Forschung verfolgen?

_{Haftungsausschluss: Die in diesem Interview geäußerten Meinungen und Aussagen stammen von dem jeweiligen Forscher und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten oder Behauptungen von Evident wider. Die genannten Produkte und Technologien sind ausschließlich für Forschungszwecke bestimmt und nicht für klinische oder diagnostische Anwendungen konzipiert.}