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SMI = Spatially Modulated Illumination (Räumlich Modulierte Beleuchtung)

Allgemeines:

SMI Mikroskop. Die SMI-Mikroskopie ist ein neuartiges lichtoptisches Verfahren des sogenannten Point Spread Function-Engineering. Darunter sind Verfahren zu verstehen, die die Punktbild-Funktion (Point Spread Function, PSF) eines Mikroskops in geeigneter Weise modifizieren, um entweder die optische Auflösung zu erhöhen, die Präzision von Distanzmessungen an punktförmigen, d.h. im Vergleich zur Wellenlänge kleinen fluoreszierenden Objekten zu maximieren, oder andere Strukturparameter im Nanometerbereich zu extrahieren. Beim gegenwärtig am Kirchhoff-Institut für Physik entwickelten SMI-Mikroskop wird dies dadurch erreicht, dass die Anregungsintensität im Objektraum im Gegensatz zu herkömmlichen Weitfeldfluoreszenz-Mikroskopen nicht homogen ist, sondern durch Verwendung zweier gegenläufiger, interferierender Laserstrahlen in axialer Richtung räumlich moduliert wird (siehe Abbildung rechts). Das Prinzip des räumlich modulierten Wellenfeldes wurde 1993 von Bailey et al. entwickelt. Bei dem Heidelberger SMI Mikroskopieansatz wird das Objekt in hochpräzisen Schritten durch das Wellenfeld bewegt. Daraus resultiert eine Erhöhung der axialen Größen- und Distanzauflösung.
 

Motivation. Ein Einsatzgebiet des SMI-Mikroskops besteht in der Analyse von biologischen Nanostrukturen bzw. der Kernstruktur von Zellen. Hierbei sind Größen- und Distanzmessungen im Nanobereich (<~100nm) von großer Bedeutung. In Verbindung mit neuen Fluoreszenz-Markierungsmethoden (Zusammenarbeit mit Physikalisch Chemischen Institut und Anorganisch Chemischen Institut der Universität Heidelberg) wird die SMI-Mikroskopie berührungsfreie fernfeld-lichtmikroskopische Strukturuntersuchungen bis hinunter zur makro-molekularen Ebene erlauben. Damit wird ein Struktureinzelheiten zugänglich, die derjenigen der atomaren Kraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy, AFM), der optischen Nahfeld-Mikroskopie (Scanning Near field Optical Microscopy, SNOM) und verwandten Oberflächen-Methoden entsprechen, im Gegensatz zu diesen jedoch auch zur Informationsgewinnung im Inneren von Objekten angewandt werden kann.

Anwendungsbeispiel. Untersuchungen an Kernen von Knochenmark-Stammzellen zeigten Relationen zwischen der dreidimensionalen (3D-)Struktur der Chromosomenkonfiguration und dem Krankheitsbild der chronisch myeloischen Leukämie. Insbesondere wird ein Zusammenhang zwischen dem Abstand zwischen den Chromosomen #9 und #22 und dem Auftreten einer Translokation der ABL-Region von Chromosom #9 an die BCR-Region von Chromosom #22 vermutet. Aus dieser Translokation resultiert die Bildung des sog. Philadelphia-Chromosoms, dessen Vorhandensein eng mit dem oben genannten Krankheitsbild korreliert. Diese im Forschungsbereich "Angewandte Optik und Informationsverarbeitung" durchgeführten Untersuchungen stellen nur ein Beispiel für medizinisch-biophysikalische Forschungen dar, in denen die exakte Messung der Abstände zwischen Chromosomen bzw. zwischen Regionen auf diesen Chromosomen von großer Bedeutung sind (SPDM, Spektrale Präzisions-Distanzmikroskopie).

  Weitere Beispiele betreffen die Vermessung der Größe einzelner Gendomänen, z.B. der p53 Genregion (Das p53 Gen ist von entscheidender Bedeutung in der Tumorbiologie; Hildenbrand et al. 2005); der Größe von Telomerregionen (Reymann et al. 2008); oder der Kombination von SPDM und SMI Mikroskopie zur Gewinnung von 3D Bildern von zellulären Nanostrukturen mit einer Auflösung von ca. 40 - 50 nm (Lemmer et al. 2008).

Weitere Informationen siehe Publikationsliste