Das Zehn-Dollar-Mikroskop

Ein klitzekleines Mikroskop, das die gleiche Chiptechnik nutzt, die auch in kostengünstigen digitalen Kameras steckt, kann hochauflösende Bilder auch ohne die teure, komplexe Linsentechnik produzieren, die seit Jahrhunderten in optischen Geräten sitzt. Forscher am California Institute of Technology (Caltech), die die Komponente entwickelt haben, erwarten, dass sich der Hauptteil des Mikroskops für zehn Dollar pro Stück in Masse produzieren lässt.

Das Caltech-Gerät nutzt ein System kleiner Flüssigkeitskanäle, um Zellen und mikroskopische Organismen über einen lichtempfindlichen Chip zu lenken. Der für diese so genannte Mikrofluidik benötigte Sensor entstammt der digitalen Fototechnik. Er wurde so verändert, dass ihn eine dünne Metallschicht bedeckt, die die meisten Pixel blockiert. Einige Hundert kleine Blendenöffnungen, die entlang der Flüssigkeitskanäle in das Metall gestanzt sind, lassen dann das Licht hinein. Fließt die Probe nun durch das Mikroskop, nimmt jede Blende ein einzelnes Bild auf. Eine Version des Mikroskops nutzt die Schwerkraft, um den Fluss der Probenflüssigkeit über die Blenden zu kontrollieren. Eine andere Variante, die deutlich mehr Kontrolle zulässt, setzt auf ein elektrisches Feld.

Die so gewonnenen 100 bis 200 Bilder pro Probe werden dann mit einer einfachen Bildverarbeitungssoftware zusammengesetzt. Die Prozessorleistung, die in einem PDA steckt, ist für diese Berechnungen mehr als ausreichend, sagt Caltech-Ingenieur Changhuei Yang, der das Mikroskop erfunden hat. Es muss stets von oben herab beleuchtet werden, doch dafür reicht auch schon das Sonnenlicht. Die Auflösung von etwa einem Mikrometer entspricht der eines konventionellen Lichtmikroskops und hängt jeweils von der Größe der einzelnen Miniblenden ab.

Für den MIT-Physiker Michael Feld ist Yangs Gerät Teil einer Revolution in der Mikroskopie, die derzeit zu beobachten sei. "Normale Mikroskope sind nicht mehr konkurrenzlos." Weitere technische Neuerungen sorgten dafür, dass seit langem bestehende physikalische Einschränkungen bei der Auflösung von Lichtmikroskopen überwunden werden könnten. Auch sei die Durchdringung von Gewebe inzwischen besser möglich. Yangs Idee sorgt nun laut Feld auch noch dafür, dass die Technologie einfacher wird: "Der Ansatz ist kostengünstig, kompakt und elegant."

Yang glaubt, dass sein Mikroskop in der Massenproduktion mit konventionellen Fabrikationstechniken hergestellt werden kann, die man sie seit langem aus dem Halbleiterbereich kennt. Auch könne man die Sensoren zu Hunderten oder gar Tausenden in Arrays gruppieren, um ein automatisiertes bildgebendes System mit hohem Durchsatz zu schaffen. Mit Hilfe von Software können Forscher und Mediziner dann alarmiert werden, wenn in einer Probe interessante Zellen auftauchen. Das würde mehr Zeit für andere, wichtigere Experimente lassen.

Die Einsatzmöglichkeiten sind auch in anderen Bereichen groß. Weil das Mini-Mikroskop so billig und kompakt ist, könnte es auch in Entwicklungsländern eingesetzt werden, hofft Yang. "Der Standard bei der Malaria-Diagnose ist immer noch, eine Blutprobe unter einem hochauflösenden Mikroskop zu untersuchen", sagt er. Konventionelle Geräte seien aber zu zerbrechlich, zu schwer und sie benötigten zu viel Energie, um sie in Gebieten einzusetzen, in denen die Krankheit häufig vorkomme. Das zehn-Dollar-Mikroskop könnte hingegen in ein PDA-großes Gerät eingebaut werden, das Bilder direkt auf einem Minibildschirm anzeigt. Solche Messinstrumente würden insgesamt vielleicht 100 Dollar kosten, glaubt Yang. Der Mikroskopsensor selbst ließe sich dann ähnlich wie eine Druckerpatrone austauschen, falls er nach einiger Zeit verschlissen ist.

Yangs Erfindung könnte sich auch für Krebsuntersuchungen eignen. Yang startete kürzlich eine Zusammenarbeit mit dem Urologen Richard Cote, der Geräte entwickelt, mit denen Tumortherapien in Echtzeit überwacht werden sollen. Cote nutzt dazu Filtersysteme, die große, sich in der Blutbahn bewegende Krebszellen herausfischen können. Ärzte müssen sich diese Zellen dann nur noch ansehen, um festzustellen, ob sich die Krankheit bei einem Patienten ausbreitet. Die Untersuchung mit einem schlichten Mikroskop ist allerdings wenig praktikabel. "Optische Linsen limitieren diesen Prozess doch sehr." Yangs System löse das Problem. Der Forscher erwägt inzwischen sogar, implantierbare Kleinstmikroskope zu schaffen, die nach wandernden Krebszellen Ausschau halten können und Medizinern dann eine Auswahl an Bildern zur weiteren manuellen Untersuchung vorlegen.

Bildgebende Verfahren mit hohem Durchsatz interessieren auch Pharmafirmen, wie Peter So, Leiter des "Bioinstrumentation Engineering, Analysis, and Microscopy Lab" am MIT, sagt. Bei der Medikamentenentwicklung müssten Hunderte von Varianten eines Wirkstoffes an Zellen getestet werden. Die aktuelle Technik verwendet hierbei kleine Plättchen, in die die Zellen eingeschlossen und potenziellen Medikamenten ausgesetzt werden. Die Reaktion wird dann mit mehreren Methoden, darunter auch die traditionellen Mikroskopie, untersucht. Mikrofluidik-Systeme würden es erlauben, mit kleineren Proben zu arbeiten und den Prozess insgesamt zu beschleunigen. Verwendet werden sie derzeit noch kaum, weil es vor Yangs Entwicklung keine Methode gab, die Bildaufnahme direkt in die Geräte zu integrieren, wie So sagt.

Yang spricht derzeit mit mehreren Firmen über die Kommerzialisierung seiner Technik. Bis zum Marktstart können allerdings noch fünf Jahre vergehen. Der Caltech-Forscher arbeitet unterdessen an weiteren Veränderungen des Systems, um Farbaufnahmen zu ermöglichen und die Auflösung zu verbessern. (bsc)