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Ein Forscherteam vom Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) berichtet diese Woche in der Fachzeitschrift Nature Methods von spektakulären 3D-Filmen eines sich entwickelnden Zebrafisch-Herzens – in allerbester Qualität. Ihr neuartiger Ansatz: Sie kombinieren die Technologie der Lichtblattmikroskopie (Selective Plane Illumination Microscopy, SPIM), bei der nur eine hauchdünne Schicht der Probe beleuchtet wird, mit intelligenten Bildverarbeitungsmethoden, die die Aufnahmen der verschiedenen Schichten zu einer gestochen klaren Aufnahme zusammenrechnen. Auch hochaufgelöste Standbilder von Zebrafisch-Herzen konnten die Dresdner Forscher mit dieser Methode generieren. Dazu nutzten sie die Optogenetik: Zellen werden so manipuliert, dass sie auf Licht reagieren – der Herzschlag kann nun durch Licht angehalten oder wieder angeschubst werden. Alternativ kann das Herz in 3D mit einer Hochgeschwindigkeitskamera abgebildet werden: Der Durchfluss von Blutzellen durch das Herz und Herzrhythmusstörungen können so problemlos sichtbar gemacht werden. So könnten sich in Zukunft auch die Ursachen angeborener Herzfehler besser erforschen lassen.

Bisherige Mikroskope waren zu langsam und nicht leistungsfähig genug, ein schlagendes Herz in 3D zu visualisieren. Die Arbeitsgruppe von Jan Huisken am MPI-CBG hat nun genau diesen Schritt geschafft: Mit einem SPIM-Mikroskop, das mit Licht eine Probe virtuell in dünnste Schichten zerschneidet, haben sie  mit einer schnellen und sehr empfindlichen Kamera Ebene für Ebene in einem Zebrafisch-Herzen aufgenommen. Die vielen einzelnen Filme wurden dann mit Hilfe ihrer Computersoftware zu einem einzigen 3D-Film des schlagenden Herzens zusammengerechnet.

Zudem ist es den Dresdner Forschern gelungen, das Herz eines sich entwickelnden Zebrafischs mit Hilfe von Licht zum Stehen zu bringen – dazu werden die Zellen so verändert, dass sie auf Licht reagieren. Dem Fischembryo schadet dies übrigens nicht, er kann einen Herzstillstand von ein paar Stunden ohne Probleme überstehen. “Anhand der Aufnahmen, die uns gelungen sind, können wir nun einen gesamten Herzschlag in Zeitlupe genau beobachten, mit allen Details in den charakteristischen Herzbestandteilen,” so Michaela Mickoleit, Doktorandin im Labor von Jan Huisken, die die Arbeiten durchgeführt hat. Etwa lassen sich nun die Kontraktion des Herzen oder der Abstand zwischen Herzmuskel und Herzinnenwand während eines Herzschlags genauer bestimmen und analysieren. Indem die Forscher mit der Belichtungszeit und der Vergrößerung experimentierten, konnten sie eine bessere Auflösung erreichen und kleinste Details wie Aktin, Bestandteile des Zellskeletts, oder Sarkomere (die kleinesten Einheiten einer Muskelfibrille) sichtbar machen. Mit einer schnell verformbaren, flüssigen Linse haben sich die Forscher schließlich noch andere Phänomene des Herzens genauer angeschaut. Erstmals ist es damit gelungen, kranke Herzen mit einer Herzrhythmusstörung zu visualisieren – das sind für Kardiologen sicherlich höchstinteressante Neuigkeiten.

Mit diesen technologischen Errungenschaften aus Dresden lässt sich ein sich entwickelndes Herz in vivo in Bilder bannen und beobachten – ob mit in Super-Zeitlupe abgespielten Filmen oder mit hochaufgelösten Standbildern. Die Arbeiten geben damit komplett neue Einsichten in den zellulären Aufbau eines schlagenden Herzens und bringen mit diesem neuen Wissen auch Chancen auf neue Ansätze, um angeborene Herzfehler zu therapieren.

Video eines schlagenden Zebrafisch-Herzens in Zeitlupe