4D tracking
Flagellenkinematik
Beschreibung
Eukaryotische Flagellen treiben Fortbewegung, Steuerung und Nahrungsströmungen in verschiedensten Systemen an und verknüpfen dabei molekulare Regulation mit dem Verhalten auf Zellebene. Die Quantifizierung dieses Zusammenhangs stellt ein 4D-Messproblem dar, da das biologisch relevante Signal die vollständige, sich zeitlich entwickelnde 3D-Wellenform ist, häufig bei Schlagfrequenzen von bis zu etwa 100 Hz. Die Erfassung dieser Dynamik erfordert eine ungewöhnliche Kombination aus hoher raumzeitlicher Auflösung, großem Probenvolumen und rechnerischer Effizienz. DHM® erfüllt diese Anforderungen, indem es die optische Wellenfront in einem einzelnen Hologramm aufzeichnet und eine numerische Refokussierung sowie volumetrische Rekonstruktion ohne mechanisches z-Scanning ermöglicht, wodurch eine skalierbare Grundlage für die 4D-Verfolgung von Flagellen geschaffen wird.
Einzigartige Vorteile des Lyncée Tec DHM®
- Hohe zeitliche Auflösung: 194 Volumen/s (Standard-DHM®-Kamera) und bis zu 100.000 fps in der Hochgeschwindigkeits-DHM®-Konfiguration
- Volumetrische Information in einer Einzelaufnahme: 3D-Volumen in einem Hologramm kodiert, rekonstruiert durch numerische Refokussierung (kein mechanisches z-Scanning)
- Hohe Präzision: Submikrometer-genaue 3D-Lokalisierung mit etwa 50 nm axialer Präzision
- Label-frei: Quantitative Phasenbildgebung ermöglicht Messungen ohne Farbstoffe und näher an natürlichen Bedingungen für Motilitätsstudien
Material und Methoden
- Biologisches Modell: Reclinomonas americana
- DHM® T1000 mit 4D-Tracking-Softwaremodul
Resulte
DHM® hat erstmals die direkte Quantifizierung der 3D-Bewegung der Flagelle eines phagotrophen Flagellaten ermöglicht und dabei stark nicht-planare Wellenformen in einem label-freien Workflow erfasst. Die Charakterisierung der Vielfalt flagellarer Wellenmuster liefert die quantitative Grundlage für ein mechanistisches Verständnis davon, wie Flagellaten pelagische Nahrungsnetze prägen, in denen Fortbewegung und Nahrungsströmungen Zielkonflikte zwischen Beuteerfassung, Nährstoffaufnahme, energetischen Kosten und Prädationsrisiko bestimmen.
Publiktionen
Reproduktionsbiologie
Beschreibung
Die Spermienmotilität ist ein wichtiger Biomarker in der Reproduktionsbiologie und Fertilitätsforschung. Eine präzise Analyse erfordert die Erfassung schneller dreidimensionaler Flagellenbewegungen zusammen mit komplexen Schwimmbahnen in räumlich eingeschränkten Umgebungen, eine Herausforderung, die mit konventioneller 2D-Mikroskopie nicht vollständig erfasst werden kann. DHM® ermöglicht label-freies 4D-Spermien-Tracking durch Single-Shot-Volumenbildgebung und eliminiert dabei mechanisches z-Scanning bei gleichzeitig hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung über große Tiefenbereiche. Der Ansatz unterstützt die quantitative Analyse von 3D-Flagellenwellenformen, z-Bewegungen und Trajektorien-Chiralität in einem einheitlichen Workflow.
Einzigartige Vorteile des Lyncée Tec DHM®
- Hohe zeitliche Auflösung: 194 Volumen/s (Standard-DHM®-Kamera) und bis zu 100.000 fps in Hochgeschwindigkeits-DHM®-Konfiguration
- Einzelaufnahme-basierte volumetrische Information: 3D-Volumen in einem Hologramm kodiert, rekonstruiert durch numerische Refokussierung (kein mechanisches z-Scanning)
- Hohe Präzision: submikrometergenaue laterale Auflösung und axiale (z) Auflösung im Nanometerbereich
- Label-frei: Quantitative Phasenbildgebung ermöglicht Messungen ohne Farbstoffe, näher an natürlichen Bedingungen für Motilitätsstudien
- Umfassende 4D-Motilitätsanalyse: Verknüpft das 3D-Schlagmuster mit der resultierenden 3D-Schwimmbahn, über 2D-Projektionen hinaus
- Große Probentiefe für höheren Durchsatz: Holografische Rekonstruktion unterstützt größere Beobachtungsvolumina
Material und Methoden
- Biologisches Modell: Maus-, Rinder- und menschliche Spermien
- DHM® T1000 mit 4D-Tracking-Softwaremodul
Resultate
DHM® ermöglicht die quantitative 4D-Analyse der Spermienmotilität durch die Erfassung schneller 3D-Flagellenbewegungen zusammen mit komplexen Schwimmbahnen über die Zeit. Hochgeschwindigkeits-Holografie macht stark nicht-planare Wellenformen, wandernde z-Ebenen-Exkursionen sowie koordinierte Rollbewegungen sichtbar, die mit der Chiralität der Trajektorie verknüpft sind, und erschließt damit biomechanische Eigenschaften, die mit konventioneller Mikroskopie nicht zugänglich sind. Der Ansatz liefert neue Einblicke darin, wie Spermien Vortrieb erzeugen, torsionale Kräfte regulieren und während des Schwimmens eine chirale Erinnerung aufrechterhalten.
Publiktionen
Michael Muschol, Caroline Wenders und Gunther Wennemuth
Lyncée Tec lieferte uns eine komplette Messanordnung bestehend aus DHM, Inkubationskammer und Fluoreszenzmodul, um einfach Aufnahmen von Spermien, ohne sie zu stören, machen zu können. Wie gezeigt erlaubt die 4D Tracking Möglichkeit des Lyncée Tec DHM-Mikroskops mit 194 Bildern/sec in hoher zeitlicher Auflösung die Aufzeichnung des Bahnverlaufs des Spermiums im Raum. In Kombination mit anderen Softwaretools sind wir damit in der Lage, innerhalb des Bildfelds mit der Lyncée Tec eigenen Tracking Software den gesamten Bahnverlauf exakt aufzuzeichnen. Dieses neue, einzigartige Messsystem ermöglicht uns den Zugang zu einem ganz neuen Forschungsfeld im Gebiet der männlichen Reproduktion.
Mikrobielle Motilität
Beschreibung
Die mikrobielle Motilität spielt eine zentrale Rolle bei Prozessen wie Grazing, Chemotaxis, parasitärer Infektion und Umwelttransport. Eine präzise Charakterisierung erfordert das Tracking von Mikroorganismen in vollständig dreidimensionalen Umgebungen, in denen konventionelle 2D-Mikroskopie häufig nur projizierte Trajektorien oder Zellen innerhalb der Fokusebene erfasst. DHM® ermöglicht label-freies 4D-Mikroorganismen-Tracking durch Single-Shot-Volumenbildgebung und eliminiert dabei mechanisches z-Scanning, während skalierbare Analysen über große Tiefenbereiche unterstützt werden. Der Ansatz ermöglicht die quantitative Charakterisierung komplexer Schwimmbewegungen, 3D-Trajektorien und populationsbasierter Motilitätsdynamiken mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung.
Einzigartige Vorteile des Lyncée Tec DHM®
- Hohe zeitliche Auflösung: 194 Volumen/s (Standard-DHM®-Kamera) und bis zu 100.000 fps in Hochgeschwindigkeits-DHM®-Konfiguration
- Einzelaufnahme-basierte volumetrische Information: 3D-Volumen in einem Hologramm kodiert, rekonstruiert durch numerische Refokussierung (kein mechanisches z-Scanning)
- Hohe Präzision: submikrometergenaue laterale Auflösung und axiale (z) Auflösung im Nanometerbereich
- Label-frei: Quantitative Phasenbildgebung ermöglicht Messungen ohne Farbstoffe, näher an natürlichen Bedingungen für Motilitätsstudien
- Großes Probenvolumen für höheren Durchsatz: 5 mm × 5 mm × 0,2 mm (L×B×H), wobei der axiale Bereich durch Refokussierung numerisch leicht erweitert werden kann
Material und Methoden
- Biologisches Modell: Vibrio coralliilyticus
- DHM® T1000 mit 4D-Tracking-Softwaremodul
Resulte
DHM® ermöglicht quantitatives 4D-Tracking mikrobieller Motilität durch die Erfassung komplexer Schwimmbewegungen und schneller Reorientierungsereignisse in vollständig dreidimensionalen Umgebungen. Hochgeschwindigkeits-Holografie unterstützt robustes Tracking bei abrupten Richtungswechseln und schnellen Bewegungsänderungen und liefert gleichzeitig label-freie quantitative Phasenmessungen von Zellgröße und Morphologie. Die Rekonstruktion des vollständigen 3D-Volumens bewahrt zudem den räumlichen Kontext der Bewegung und macht nahegelegene Hindernisse, nicht-motile Zellen sowie Konfinierungsstrukturen zusammen mit den mikrobiellen Trajektorien sichtbar. Dadurch wird die direkte Untersuchung ermöglicht, wie lokale Mikroumgebungen das Schwimmverhalten und die Motilitätsdynamik beeinflussen.
“Wir haben zuerst mehrere andere Systeme zum Verfolgen von Bakterien probiert, und waren sehr positiv überrascht von der einfachen Bedienung und den unmittelbar vorliegenden Resultaten bei der Lyncée Tec Lösung”
