Connectomics bei Netzhauterkrankungen

Forschungsarbeit verdeutlicht Einsatzmöglichkeit der Elektronenmikroskope ZEISS MultiSEM und ZEISS Sigma

Nutzerbericht

Weltweit ist die Makuladegeneration der Netzhaut eine der Hauptursachen für die Erblindung. Doch die Ursachen dieser Erkrankung selbst sind noch weitgehend ungeklärt. In einem kürzlich publizierten Artikel beschreiben Dr. Charles Zucker, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Harvard University, und seine Kollegen elektronenmikroskopische Beobachtungen an der Netzhaut einer Patientin, die von einer seltenen Form der Makuladegeneration betroffen ist, der sogenannten makulären Teleangiektasie („MacTel“).

Charles Zucker
Dr. Charles Zucker, wissenschaftlicher Mitarbeiter, Harvard University

Bei der Erforschung pathologischer Mechanismen, wie z.B. der „herkömmlichen“ Connectomic, müssen unzählige Proben analysiert werden. Dabei ist es weder zweckmäßig noch vorteilhaft, gleich das ganze Volumen abzubilden.

Zucker bezeichnet die Methode in dieser Studie als „zielgerichtete Connectomic im Hochdurchsatz“.

Der untersuchte Gewebeblock erstreckt sich über einen Netzhautbereich von etwa 2 mm × 3 mm, mit einer Dicke in der Größenordnung von einem Drittel eines mm. Bei einer Schnittdicke von etwa 30 nm sind rund 10.000 Serienschnitte entstanden, die mit einem ATUMtome auf ein Trägerband aus Kunststoff aufgebracht wurden. Der Ablauf wird in diesem Video veranschaulicht:

Mit einem Elektronenmikroskop ZEISS Sigma FE-SEM wurden von jedem 100. Schnitt niedrig aufgelöste Übersichtsbilder erstellt. Die Ergebnisse dieses Zwischenschritts dienten zur Orientierung für die Bildgebung und zur Ermittlung der eigentlichen ROI (Regions of Interest). Schließlich wurden die ausgewählten ROI in hoher Auflösung und hoher Geschwindigkeit mit einem Elektronenmikroskop ZEISS MultiSEM abgebildet.

Als wichtigste Beobachtungen nannten die Autoren spezifische Veränderungen der mitochondrialen Struktur aller retinalen Zelltypen, innerhalb und außerhalb der MacTel-Zone. Außerdem stellten sie eine scharfe Abgrenzung der MacTel-Zone fest, die mit einem Verlust an Müller-Zellen und Makulapigmenten zusammenfiel. In den Müller-Zellen wird Serin synthetisiert, das durch retinale Neuronen aufgenommen wird und für die mitochondriale Funktion notwendig ist. Auf Grundlage ihrer Beobachtungen stellten die Forscher die These auf, dass ein Mangel an Serin ursächlich für die mitochondrialen Veränderungen sein müsse, die zur Entstehung einer MacTel führen. Ein ergänzendes Video eines zusammenhängenden Bildstapels zeigt Variationen der mitochondrialen Pathologie und verschiedene Degenerationsstadien.

Muller cells in retina
Die Abbildung zeigt die Membrana limitans externa der menschlichen zentralen Netzhaut. Die Prozesse der Müller-Gliazellen (farbig) umgeben die Innensegmente der Photorezeptorzellen und verflechten sich dabei untereinander sowie mit den Photorezeptorzellen (Pfeile). Die so entstehende Struktur bildet einen Teil der Blut-Retina(Hirn)-Schranke. Das elektronenmikroskopische Screening von Serienschnitten im Hochdurchsatz zeigt die Feinheiten dieses Zusammenspiels von Gliazellen und Neuronen in radialer (Pfeile oben) und horizontaler Richtung (unten).

Das obere Bild links stammt aus einem Auge mit pathologischen Veränderungen im zentralen Makulabereich der Netzhaut. Es wurde allerdings in einem eher peripheren, relativ normalen Bereich aufgenommen, der als interne Kontrolle fungiert.

Das untere Bild zeigt den zentralen Makulabereich (Fovea) eines anderen menschlichen Auges ohne bekannte Erkrankungen oder pathologische Veränderungen. Es wurde in derselben Z-Tiefe (Schicht) der Retina aufgenommen, die durch die Mitte des oberen Bilds verläuft.

Beide Aufnahmen sind mit einem ZEISS Sigma FE-SEM entstanden. Sie dienten als Orientierung bei der Auswahl der ROI im Gewebebereich mit starken pathologischen Veränderungen, die mit dem Elektronenmikroskop ZEISS MultiSEM eingehender betrachtet werden sollten.

Laut Zucker veranschaulichen diese Bilder eindrucksvoll, wie sich ZEISS Sigma (Einzelstrahl) und ZEISS MultiSEM (Multistrahl) zu einem effizienten Workflow ergänzen.

 

 

 

 

Multistrahl-Elektronenmikroskop ZEISS MultiSEM

Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop ZEISS Sigma

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Lesen Sie den vollständigen Artikel: A connectomics approach to understanding a retinal disease

 

Tags: Elektronen- und Ionenmikroskopie

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