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Die Fluoreszenzpolarisationsmikroskopie (FPM) hat sich zu einer leistungsfähigen Technik entwickelt, mit der sowohl die Position als auch die Dipolorientierung von Fluorophoren gleichzeitig abgebildet werden können, und bietet tiefgreifende Einblicke in die biologische Bildgebung 1,2. Durch die Erleichterung der Richtungsbeobachtung der Orientierungen von Biomolekülen enthüllt FPM die komplizierte Anordnung von Makromolekülen wie Aktin 3,4,5, Mikrotubuli5, Septin6, DNA-Filament 7-9, Kernporenkomplex10 und Membranproteine11. Seine schnellen, nicht-invasiven und mit lebenden Zellen kompatiblen Fähigkeiten ermöglichen die Verfolgung der molekularen Rotationsdynamik mit hoher zeitlicher Auflösung11,12. In Verbindung mit Bioforce-Sonden kartiert FPM nicht nur Kraftgrößen in subzellulärer Auflösung, sondern misst auch Kraftrichtungen, wodurch unser Verständnis biomechanischer Prozesse durch die Aufdeckung der Richtung von Kräften verbessertwird 13.
In den letzten Jahrzehnten hat sich die superauflösende Fluoreszenzpolarisationsmikroskopie rasant weiterentwickelt. Ein bemerkenswerter Fortschritt auf diesem Gebiet ist die Einzelmolekül-Orientierungslokalisierungsmikroskopie, auch SMOLM genannt, die sowohl die Position als auch die Orientierung von Fluorophoren lokalisieren und so eine mehrdimensionale Lokalisierung ermöglichen kann. Die Polarisationsmessung in SMOLM kann mit Hilfe der Polarisationsanregungsmodulation7, der mehrkanaligen polarisierten Detektion3 oder der speziell entwickelten polarisationsempfindlichen Punktspreizfunktion (PSF)14 durchgeführt werden. Obwohl SMOLM eine räumliche Auflösung in der Größenordnung von Dutzenden von Nanometern erreicht und die Polarisation einzelner Moleküle misst, leidet es unter einer verlängerten Bildgebungszeit. Dies ist auf die sich wiederholenden Zyklen des Blinkens und der Lokalisierung von Fluorophoren zurückzuführen, die eine Herausforderung für die Videobildgebung und Lebendzellanwendungen darstellen.
Im Gegensatz dazu bietet die polarisierte strukturierte Beleuchtungsmikroskopie (pSIM) eine räumliche Auflösung von etwa 100 nm, gekoppelt mit der Erfassung von Polarisationsinformationen mit demselben SIM-Datensatz. Insbesondere kann pSIM Bildgebungsgeschwindigkeiten mit Videorate erreichen und ist hochgradig kompatibel mit der Bildgebung lebender Zellen, ohne strenge Anforderungen an fluoreszierende Moleküle. Kürzlich ist es pSIM gelungen, die Aktinringstruktur im membranassoziierten periodischen Skelett (MPS)5 aufzudecken und eine superauflösende Kartierung biologischer Kräfte zu ermöglichen13.
pSIM erfordert jedoch eine Bildrekonstruktion nach der Aufnahme, was eine Echtzeit-Visualisierung der Polarisationsergebnisse verhindert. Diese Verzögerung behindert die unmittelbare Beobachtung biologischer Phänomene und hindert die Forscher daran, biologische Phänomene von Interesse schnell zu erfassen und Echtzeitanpassungen an Proben und Bildgebungsbedingungen vorzunehmen. Um diese Einschränkung zu beheben, haben wir eine Open-Source-Implementierung entwickelt, die die Bildaufnahme und die Echtzeit-Rekonstruktion und Anzeige von Polarisationsergebnissen auf Basis der ImageJ- und Micro-Manager-Plattform (https://github.com/KarlZhanghao/live-pol-imaging) erleichtert.
Während pSIM bisher auf die Bereitstellung von 2D-Polarisationsinformationen in der Ebene beschränkt war, haben wir kürzlich seine Fähigkeiten erweitert, um eine 3D-Orientierungskartierung mit fast der gleichen Ausrüstung15 zu erreichen, die als 3D-Orientierungskartierung (3DOM) bezeichnet wird. Diese Open-Source-Software bietet auch die Steuerung, Rekonstruktion und Visualisierung von 3DOM. Die Rekonstruktions- und Visualisierungsmodule sind auch mit der Anwendung zur Verfolgung der Einzelmolekülorientierung kompatibel. All diese Funktionalitäten erhöhen den Nutzen der Polarisationsbildgebung in komplexen biologischen Studien.