Ein Mikroskop für alle: Optischer Open-Source-Werkzeugkasten liefert hochauflösende Bilder für einen winzigen Bruchteil des Preises.

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Das Open-Source-System des 3D-Druckers liefert hochauflösende Bilder wie kommerzielle Mikroskope zum hundertfachen Preis.
Moderne Mikroskope für die biologische Bildgebung sind teuer, befinden sich in spezialisierten Labors und erfordern hochqualifiziertes Personal. Die Erforschung neuartiger, kreativer Ansätze zur Lösung drängender wissenschaftlicher Probleme – beispielsweise im Kampf gegen Infektionskrankheiten wie Covid-19 – ist daher in erster Linie Wissenschaftlern an gut ausgestatteten Forschungseinrichtungen in reichen Ländern vorbehalten.

Das will ein junges Forscherteam des Leibniz-Instituts für Photonische Technologie (Leibniz IPHT) in Jena, der Friedrich-Schiller-Universität und des Universitätsklinikums Jena ändern: Die Forscher haben einen optischen Werkzeugkasten entwickelt, um Mikroskope für ein paar hundert Euro zu bauen, die hochauflösende Bilder liefern, die mit kommerziellen Mikroskopen vergleichbar sind, die das Hundertfache bis Tausendfache kosten. Mit Open-Source-Blaupausen, Komponenten aus dem 3D-Drucker und der Smartphone-Kamera lässt sich das UC2 (You. See. Too.) Baukastensystem gezielt so kombinieren, wie es die Forschungsfrage erfordert – von der Langzeitbeobachtung lebender Organismen im Inkubator bis hin zu einem Werkzeugkasten für die Optik-Ausbildung. Das Forschungsteam stellt seine Entwicklung am 25. November 2020 in der renommierten Zeitschrift Nature Communications vor.

Der Grundbaustein des UC2-Systems ist ein einfacher 3D-druckbarer Würfel mit einer Kantenlänge von 5 Zentimetern, der eine Vielzahl von Komponenten wie Linsen, LEDs oder Kameras aufnehmen kann. Mehrere solcher Würfel sind auf eine magnetische Rastergrundplatte gesteckt. Geschickt angeordnet ergeben die Module so ein leistungsfähiges optisches Instrument. Ein optisches Konzept, nach dem die Fokusebenen benachbarter Linsen zusammenfallen, ist die Grundlage für die meisten komplexen optischen Aufbauten wie etwa moderne Mikroskope.

Mit der UC2-Toolbox zeigt das Forscherteam von Doktoranden im Labor von Prof. Dr. Rainer Heintzmann, Leibniz IPHT und Friedrich-Schiller-Universität Jena, wie dieser inhärent modulare Prozess in praktischen Experimenten intuitiv verstanden werden kann. Damit gibt UC2 auch Anwendern ohne technische Ausbildung ein optisches Werkzeug an die Hand, das sie – je nach Fragestellung – nutzen, modifizieren und erweitern können.

Krankheitserreger überwachen – und dann das kontaminierte Mikroskop recyceln

Helge Ewers, Professor für Biochemie an der Freien Universität Berlin und der Charité, erforscht mit dem UC2-Werkzeugkasten Krankheitserreger. “Mit dem UC2-System können wir kostengünstig ein hochwertiges Mikroskop herstellen, mit dem wir lebende Zellen in einem Inkubator beobachten können”, sagt er. UC2 eröffnet damit Anwendungsbereiche für die biomedizinische Forschung, für die herkömmliche Mikroskope nicht geeignet sind.

“Kommerzielle Mikroskope, mit denen sich Krankheitserreger über einen längeren Zeitraum untersuchen lassen, kosten hundert oder tausend Mal mehr als unser UC2-Setup”, sagt Benedict Diederich, Doktorand an der Leibniz-IPHT, der dort zusammen mit René Lachmann den optischen Werkzeugkasten entwickelt hat. “Man kann sie kaum in ein kontaminiertes Labor bringen, aus dem man sie vielleicht nicht herausnehmen kann, weil sie sich nicht leicht reinigen lassen.

Das UC2-Mikroskop aus Kunststoff hingegen lässt sich nach dem erfolgreichen Einsatz im Labor für biologische Sicherheit leicht verbrennen oder recyceln. Für eine Studie am Universitätsklinikum Jena beobachtete das UC2-Team über einen Zeitraum von einer Woche die Differenzierung von Monozyten zu Makrophagen im Inkubator, um Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie das angeborene Immunsystem Krankheitserreger im Körper bekämpft.

Bauen nach dem Lego-Prinzip: Von der Idee zum Prototyp

Bauen nach dem Lego-Prinzip – das weckt nicht nur den inneren Spieltrieb der Nutzer, beobachtet das UC2-Team, sondern eröffnet den Forschern neue Möglichkeiten, ein Instrument zu entwerfen, das genau auf ihre Forschungsfrage zugeschnitten ist. “Mit unserer Methode ist es möglich, schnell das richtige Werkzeug zusammenzustellen, um bestimmte Zellen abzubilden”, erklärt Benedict Diederich. “Wird zum Beispiel eine rote Wellenlänge als Anregung benötigt, installiert man einfach den entsprechenden Laser und wechselt den Filter. Wird ein inverses Mikroskop benötigt, stapelt man die Würfel entsprechend. Mit dem UC2-System können Elemente je nach gewünschter Auflösung, Stabilität, Dauer oder Mikroskopiemethode kombiniert und direkt im “Rapid Prototyping”-Verfahren getestet werden.

Die Vision: Offene Wissenschaft

Die Forscher veröffentlichen Baupläne und Software auf dem frei zugänglichen Online-Repository GitHub, so dass die Open-Source-Gemeinschaft weltweit auf die vorgestellten Systeme zugreifen, sie umbauen, modifizieren und erweitern kann. “Mit dem Feedback der Nutzer verbessern wir das System Schritt für Schritt und fügen immer neue kreative Lösungen hinzu”, berichtet René Lachmann. Die ersten Nutzer haben bereits damit begonnen, das System für sich und ihre Zwecke zu erweitern. “Wir sind gespannt, wann wir die ersten Anwenderlösungen präsentieren können”, berichtet René Lachmann.

Dahinter steht das Ziel, eine offene Wissenschaft zu ermöglichen. Dank der ausführlichen Dokumentation können die Forschenden Experimente reproduzieren und weiterentwickeln.

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