Mit Multiphotonenphotonen-Mikroskopie lassen sich dreidimensionale Bilder von Gewebe erstellen. Insbesondere die scannende Zweiphotonen (2P)-Mikroskopie ist in der Medizin mittlerweile fest etabliert. Das Verfahren hat jedoch Grenzen: Streueffekte innerhalb der Probe beeinträchtigen die Bildqualität, und die Bildrate der Punkt-abtastenden Systeme reicht nicht, um sehr schnelle biologische Prozesse abzubilden.

Infrarote Wellenlänge für kosteneffizientes Lasersystem

Hier setzt das Projekt UTOPI3 an. Der Innovationsverbund entwickelt die Drei-Photonen (3P)-Mikroskopie weiter, bei der drei statt zwei Photonen gleichzeitig ein fluoreszierendes Molekül anregen. Dafür nutzen sie die Wellenlänge von 1840 Nanometern. Da diese aktuell durch kommerziell erhältliche Lasersysteme weder zuverlässig noch kosteneffizient abgedeckt werden kann, entwickelt und erforscht das LZH im Teilprojekt UTOPI3-Laser eine neue Femtosekundenquelle. Diese soll für den Wellenlängenbereich Pulse mit einer Dauer von unter 250 fs und einer Pulsenergie von bis zu 1 µJ erzeugen. Das Lasersystem wird so konzipiert, dass es sich einfach mit fortgeschrittenen Bildgebungsmethoden kombinieren lässt. Gleichzeitig wäre es anwendertauglich sowie finanziell erschwinglich, was eine breite Anwendung der verbesserten Methode im klinischen Kontext ermöglichen würde. 

Dreifach statt zweifach: Mehr Tiefe durch Drei-Photonen-Anregung

Die Multiphotonen-Mikroskopie nutzt ein besonderes Anregungsprinzip: Fluorophore, fluoreszierende Moleküle in biologischem Gewebe, können durch mehrere längerwellige und damit energieärmere, Photonen angeregt werden statt durch ein einzelnes kurzwelliges, energiereiches Photon. Bei der 3P-Mikroskopie müssen drei Photonen auf das Fluorophor treffen, die jeweils die dreifache Wellenlänge des kurzwelligen Photons besitzen. Hierfür kommt Laserlicht mit einer Wellenlänge von 1,8 µm zum Einsatz.

Dank der langwelligen Anregung wird die Lichtstreuung auch in dichtem biologischem Gewebe deutlich reduziert. Das Ergebnis ist eine bis zu doppelt so große Eindringtiefe. Das energieärmere Licht verringert zudem phototoxische Effekte und schont das Gewebe. 

Um das gemeinsame Ziel einer schnellen und effizienten 3P-Mikroskopie bei maximaler Eindringtiefe zu erreichen, kombiniert der Verbund die 3P-Laserquelle mit einer Weitfeld-Anregung und schnellen Scanverfahren. Die Abtastung geschieht dann nicht mehr Punkt für Punkt, sondern Bild für Bild, was deutlich höhere Aufnahmeraten ermöglicht.

Über UTOPI3

Das Teilprojekt UTOPI3-Laser ist Bestandteil des Innovations­verbunds „Ultrakurzpuls-Faserlaser-basierte Weitfeld-Mikroskopie mit 3-Photonen-Anregung“ (UTOPI3). Es wird von der Investitions- und Förderbank Niedersachsen (NBank) mit Mitteln aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung gefördert. Projektpartner sind die Leibniz Universität Hannover, die Hochschule Emden/Leer und das Laser Zentrum Hannover e.V.