Die konfokale Raman-Mikroskopie ist eine innovative, nicht-invasive Methode, die ohne Marker auskommt und sich daher ideal für Anwendungen in der Zellbiologie eignet. Mithilfe von Laseranregung und der Analyse der unelastischen Lichtstreuung der Molekülbindungen liefert sie wertvolle chemische und strukturelle Informationen über die zelluläre Umgebung. So können Biomoleküle wie Lipide, Proteine und Nukleinsäuren sowie deren Verteilung in der Zelle sichtbar gemacht werden.
In der modernen Zellbiologie findet die Raman-Mikroskopie insbesondere Anwendung bei der Untersuchung zellulärer Prozesse wie der Lipidorganisation, des Stoffwechsels, der Infektionsbiologie und der Aufnahme von Wirkstoffen [1-7]. Ihre hohe räumliche Auflösung und chemische Spezifität machen sie zu einem unverzichtbaren Werkzeug für das Verständnis der komplexen Dynamik biologischer Prozesse in Zellen.
Die Raman-Technologie der WITec-Systeme setzt neue Maßstäbe in puncto Auflösung, Geschwindigkeit und Sensitivität und ermöglicht somit präzise und zuverlässige Erkenntnisse aus Ihren wertvollen Proben. Dank ihrer außergewöhnlichen Vielseitigkeit sind WITec Raman-Mikroskope eine zukunftssichere Lösung, die sich flexibel an Ihre Forschungsanforderungen anpassen lässt. Für Experimente an lebenden Proben bieten wir zudem kompatible Geräte zur Umgebungs- und Temperaturkontrolle, die optimale Bedingungen während der Messung gewährleisten.
Konfokale Raman-Mikroskopie lebender Zellen
Durch ihre nicht-invasive Herangehensweise eignet sich Raman Mikroskopie auch zur Untersuchung lebender Zellen in ihrer natürlichen, physiologischen Umgebung. Im gezeigten Beispiel wurden Epithelzellen einer Ratte mit einem WITec alpha300 Raman-Mikroskop untersucht. Dabei konnten charakteristische Raman-Spektren für Mitochondrien (blau), das endoplasmatische Retikulum (grün) und Nukleoli (orange) identifiziert werden. Das farbcodierte Raman-Bild zeigt die Position dieser Organellen innerhalb der Zelle.
Von links nach rechts. Erstes Bild: Videobild einer Epithelzelle (Ratte) in Zellkultur. Zweites Bild: Farbcodiertes Raman-Bild, das Mitochondrien (blau), endoplasmatisches Retikulum (grün) und Nukleoli (orange) in der Zelle zeigt. Drittes Bild: Raman-Spektren von Mitochondrien, endoplasmatischem Retikulum und Nukleoli.Probe zur Verfügung gestellt von Angelika Rück, ILM, Ulm, Deutschland
3D-Raman-Imaging von Zellen
Dank der Kombination aus Konfokalität und hervorragender Tiefenauflösung in den WITec Raman-Systemen können selbst feinste Details von Zellen in 3D aufgelöst werden. Die hier gezeigte Animation präsentiert ein 3D-Raman-Bild einer mesenchymalen Zelle in Hydrogel und veranschaulicht die unterschiedlichen Zellkomponenten, die präzise identifiziert werden konnten1.
3D-Rekonstruktion einer mesenchymalen Stammzelle in Hydrogel. Zytoplasma (blau), Zellkern (rot), Triglyceride (grün), Phospholipide (orange), Matrigel (cyan).Video von Kallepitis et al. 2017 1, lizenziert unter Creative Commons CC-BY 4.0
Kombination von Raman und Fluoreszenzmikroskopie
In der Zellbiologie werden häufig Fluoreszenzfarbstoffe eingesetzt, um spezifische Moleküle sichtbar zu machen. Die Raman-Bildgebung bietet hierzu eine Alternative. Bei Bedarf können beide Techniken in den WITec-Mikroskopen allerdings auch kombiniert werden, um zusätzliche Informationen zu gewinnen. Die hier gezeigten Bilder veranschaulichen die korrelative Raman- und Fluoreszenzmikroskopie von DAPI-gefärbten eukaryotischen Zellen. Während das Fluoreszenzbild die markierten Zellkerne sichtbar macht, identifiziert die Raman-Bildgebung das endoplasmatische Retikulum (grün) und die Nukleoli (orange).
Von links nach rechts. Erstes Bild: Mit dem Fluoreszenzmarker DAPI gefärbte Zellkerne. Zweites Bild: Mit Raman identifiziertes endoplasmatisches Retikulum (grün) und Nukleoli (orange). Drittes Bild: Überlagerung von Raman und Fluoreszenzbild.Probe zur Verfügung gestellt von Claudia Scalfi-Happ, ILM, Ulm, Deutschland
Raman-Bildserie einer Makrophagenzelle und die Aufnahme von Lipiden im Zeitverlauf. Die Bilder zeigen die Zunahme von Deuterium-markierter Ölsäure (rot) innerhalb der Makrophage (cyan) und deren Speicherung in Lipidtröpfchen. Dieses Verhalten ist ein charakteristisches Merkmal für die Bildung von Schaumzellen.Bilder zur Verfügung gestellt von Christian Matthäus, Leibniz-Institut für Photonische Technologie, Jena, Deutschland.
Raman-Imaging und quantitative Analyse von Biomolekülen wie Proteinen, gesättigten und ungesättigten Lipiden, Nukleinsäuren, Glykogen und Cytochrom C, in 3D-Primärhepatocyten-Sphäroiden. Maßstab: 50 µm. Bild aus LaLone et al. 2023 2, lizenziert unter Creative Commons CC-BY 4.0
Literatur
Application Note Confocal Raman Imaging and Correlative Techniques in Life Science
Kallepitis, C., et al. (2017). Quantitative volumetric Raman imaging of three dimensional cell cultures. Nature communications, 8(1), 14843. https://doi.org/10.1038/ncomms14843
LaLone, V., et al. (2023). Quantitative chemometric phenotyping of three-dimensional liver organoids by Raman spectral imaging. Cell Reports Methods, 3(4). https://doi.org/10.1016/j.crmeth.2023.100440
Unger, N., et al. (2022). Looking Inside Non-Destructively: Label-Free, Raman-Based Visualization of Intracellular Coxiella burnetii. Analytical Chemistry, 94(12), 4988-4996. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.1c04754
Orleanska, J., Wiecek, W., & Majzner, K. (2024). Investigation of etravirine uptake and distribution in single aortic endothelial cells in vitro using Raman imaging. Analyst, 149(17), 4454-4463. https://doi.org/10.1039/D4AN00314D
Borek-Dorosz, A., et al. (2024). Raman microscopy reveals how cell inflammation activates glucose and lipid metabolism. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Molecular Cell Research, 1871(1), 119575. https://doi.org/10.1016/j.bbamcr.2023.119575
Stanek, E., Czamara, K., & Kaczor, A. (2024). Increased obesogenic action of palmitic acid during early stage of adipogenesis. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Molecular and Cell Biology of Lipids, 159525. https://doi.org/10.1016/j.bbalip.2024.159525
Haessler, A., et al. (2024). The Aβ42: Aβ40 ratio modulates aggregation in beta-amyloid oligomers and drives metabolic changes and cellular dysfunction. Frontiers in Cellular Neuroscience, 18, 1516093. https://doi.org/10.3389/fncel.2024.1516093
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