Elektronenmikroskopie

Bei der Betrachtung von Zellen und Geweben werden durch die Wellenlänge der benutzten Strahlung feste Grenzen gesetzt; mit sichtbarem Licht kann man gerade noch Strukturen von etwa 0,1 µm Größe erkennen. Das Elektronenmikroskop dagegen bietet noch eine etwa 1000fach stärkere Auflösung, und diese ist besonders bei Fragestellungen auf der Ebene von Zellen, Zellorganellen, Makromolekülen sowie Bakterien und Viren gefragt. Unsere Arbeitsgruppe bietet in Lübeck als einzige die Möglichkeit, Strukturen auf diesen Ebenen bis zu einer Größe von wenigen Nanometern bildlich darzustellen, und dieses mit verschiedenen Techniken der Oberflächenabbildung (Rasterelektronenmikroskopie) sowie der Durchstrahlung von extrem dünnen Schnittpräparaten (Transmissionselektronenmikroskopie).

 

Die Arbeitsgruppe in ihrer heutigen Form existiert erst seit gut zehn Jahren und ist aus Strukturen hervorgegangen, die sich bis in die Anfänge der Vorklinik in Lübeck zurückverfolgen lassen. Die eigentliche Geburtsstunde der Elektronenmikroskopie (EM) schlug bereits im Jahre 1974 mit der Anschaffung des ersten Transmissionselektronenmikroskopes (TEM); es wurde damals unter der Leitung von Professor Herbert Haug im Haus 72 der Medizinischen Akademie Lübeck aufgestellt und unter sehr einfachen Bedingungen genutzt. Nach dem Umzug in den Neubau von Haus 63, im Jahre 1983, wurde die labortechnische und apparative Ausstattung wesentlich verbessert, und die Anatomie verfügte nun über zwei TEM, ferner über ein Rasterelektronenmikroskop (REM), sowie über vier Ultramikrotome und eine Gefrierätzanlage zum Anfertigen der Probenschnitte für die TEM. Zum Herstellen der Proben für das REM wurden zwei Besputterungsanlagen angeschafft, und damit war eine solide Arbeitsgrundlage vorhanden, die überwiegend auch heute noch zuverlässig im Einsatz steht. Als neue Geräte kamen 2002 ein Kryo-Ultramikrotom (Ultracut R mit FCS; ermöglicht das Anfertigen von Ultradünnschnitten für die TEM bei -100° C), 2009 ein Kontrastierautomat (Leica AC20; ermöglicht das vollautomatisierte Anlagern von Schwermetallsalzen an die Ultradünnschnitte) sowie 2010 das TEM Jeol 1011 hinzu.

In den Anfangsjahren waren die Kartierung und Alterung der menschlichen Hirnrinde das Hauptforschungsgebiet im Institut. Unter Zuhilfenahme von TEM und Morphometrie wurden die wesentlichen Ergebnisse in der Gruppe von Professor Haug und Dr. Reinhard Eggers erbracht. Weitere Forschungsfelder in den Anfangsjahren der Elektronenmikroskopie wurden durch Professor Uda Schramm sowie Professor Lüder Busch und PD Andres Mendoza etabliert. Frau Schramm widmete sich vielfältigen Untersuchungen an der Haut und ihren Anhangsorganen. Herr Busch bearbeitete Fragestellungen der Embryologie sowie der Genitalorgane, und Herr Mendoza arbeitete am Vomeronasalorgan. Spätere Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der EM umfassten den Magen-Darm-Trakt; spezielle Aspekte der Reproduktions- und Tumorbiologie, sowie Untersuchungen zur Beteiligung von Blutplättchen an der unspezifischen Abwehr (Abbildung 7). Ein wichtiger Schritt war die Etablierung der Kryo-Ultramikrotomie, mit der immunhistochemische Nachweisreaktionen auf der Ebene der TEM mit großer Präzision durchgeführt werden können (Abbildung 8).

Mit dem Abbau der anderen EM-Labore an der Universität zu Lübeck erlangte unsere Arbeitsgruppe zunehmend Alleinstellungsmerkmale, und folglich konnte die Gruppe in eine große Anzahl von Kooperationen eintreten. Insbesondere die Institute für Mikrobiologie, Molekularbiologie und Transfusionsmedizin, aber auch die Kliniken für Orthopädie, Herzchirurgie, Augenheilkunde, Unfallchirurgie sowie das Fraunhofer-Institut für marine Biotechnologie zählten und zählen auch heute zu unseren Kooperationspartnern. So wurden durch unsere Arbeitsgruppe Untersuchungen zu Infektionskrankheiten und Erregern (Hepatitis A; Chlamydien, Leishmanien, Streptokokken), zur mikrobiellen Besiedelung von künstlichen Bioersatzmaterialien (Herzklappen, künstliche Linsen, Osteosynthesematerial), zur zellulären Besiedelung künstlicher Matrices und Differenzierung von Geweben (Bindegewebe, Muskelgewebe, Knorpel), sowie rein materialtechnische Untersuchungen in Zusammenarbeit mit der FH Lübeck (transkranielle Sauerstoffmessungen; Entwicklung von Keramikfiltern und Sensoren) durchgeführt.

Die heutige apparative Ausstattung der Arbeitsgruppe umfasst zwei Transmissionselektronenmikroskope (Philips EM 400 T; Jeol 1011); ein Rasterelektronenmikroskop Philips REM 505), ein Kryo-Ultramikrotom (Leica Ultracut R mit FCS), 3 Ultramikrotome, sowie einen Kontrastierautomat (Leica AC 20) und zwei Geräte zur Besputterung von Oberflächen für das REM. Neben der TEM von konventionellen Kunststoff-Ultradünnschnitten werden von unserer Gruppe die Techniken der Immuno-Goldmarkierung an Kunststoff- und Kryo-Schnitten vorgehalten, wir bearbeiten virologische Fragestellungen mit Hilfe der Negativkontrastierung im TEM, und für die Charakterisierung von biologischen, aber auch Werkstoffoberflächen nutzen wir die REM mit und ohne Aufdampfen von stabilisierenden Kohlenstoff- oder Goldfilmen.

 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unsere Arbeitsgruppe heute ein breites Methodenspektrum von EM-Techniken, von der einfachen TEM und REM bis hin zur Kryo-Ultramikrotomie mit Immuno-Goldmarkierung bereit hält und mit diesen Methoden zu zahlreichen Forschungsvorhaben beiträgt. Im Moment realisieren wir den Ersatz des 30 Jahre alten REM durch ein neues Gerät und hoffen damit, die verfügbaren Anwendungen auf dem Gebiet der Ultrastrukturforschung zu erweitern und zu verbessern. So wird durch das neue REM die Untersuchung von Proben unter deutlich milderen Vakuum-Bedingungen ermöglicht, und dadurch wird gerade den biologischen Proben die bisher nötige, oft strukturschädigende Vorbereitung erspart (Abbildung 9). Zudem soll sich die erzielbare Auflösung im neuen REM deutlich erhöhen, und damit werden sich unserer Arbeitsgruppe völlig neue Betätigungsfelder, wie zum Beispiel auf dem Gebiet der Nano-Partikel, erschließen.