Technologietransfer
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FAIRCHARM
FAst InfraRed Coherent HARmonic iMaging
FAIR CHARM ist ein von der EU finanziertes H2020-Projekt, das die Multiphotonenmikroskopie für eine tiefere und schnellere biomedizinische Bildgebung vorantreiben soll (https://www.unige.ch/faircharm/). SLIDE ist eine der beiden im Rahmen von FAIR CHARM entwickelten Infrarot-Bildgebungsmodalitäten, die eine extrem hohe trägheitslose Scanrate, eine hohe Eindringtiefe und die Fähigkeit zur Bestimmung der Fluoreszenzlebensdauer verspricht. Die AG Karpf ist der Projektpartner, der für das Design, die Entwicklung, das Testen und die Verfeinerung des SLIDE-Systems verantwortlich ist.
In Kombination mit harmonischen Nanopartikeln (HNPs), die vom Projektpartner an der Universität Genf entwickelt wurden, konnte eine Pixelrate von 1 GHz erreicht werden. Dies ermöglicht bereits eine Verbesserung der Bildgebungsrate um zwei Größenordnungen im Vergleich zu den derzeit verfügbaren Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskopen, die auf Galvo-Galvo-Rasterscanning basieren (siehe Bild).
Bei der Anwendung in der Durchflusszytometrie erreicht GHz SLIDE mit HNPs eine Bildwiederholrate von 16kHz, was das Scannen des gesamten Blutvolumens einer Maus in 200 s ermöglicht. Im Rahmen der FAIR CHARM AG arbeitet Karpf zusammen mit dem Partner BRC in diese Richtung. Ihre Softwareansätze ermöglichten es, Rauschen und Einzelpixelereignisse in SLIDE-Daten zu verwerfen und zwischen erkannten Zellen und ihren Clustern zu unterscheiden.
Eines der Ziele innerhalb des FAIR CHARM Projektes ist es, eine noch nie dagewesene volumetrische Scanrate von 240 Hz zu erreichen. Um dies zu erreichen, wurde ein funktionsfähiges SLIDE-Mikroskop mit einer Zeilenabtastrate von 3,3 MHz entwickelt, das für eine schnelle volumetrische Bildgebung geeignet ist. Eine GPU-basierte Datenverarbeitung ermöglicht die volumetrische 4D-Bildgebung in Echtzeit. Die Arbeiten zur Echtzeit-3D-Datensegmentierung und KI-gesteuerten Analyse wurden noch nicht abgeschlossen.
BSLIDE3
SLIDE Mikroskopie in einem Virologie-Labor der Sicherheitsklasse BSL3
Die Zwei-Photonen-Bildgebung ermöglicht Untersuchungen tief im Gewebe mit geringem Photobleaching und weniger Photodestruktion im Vergleich zur Konfokalmikroskopie. Daher ist sie in der Virologie die Methode der Wahl, um Krankheitserreger und Interaktionen unter realistischen Bedingungen zu untersuchen. Die Echtzeit-Abbildung von Infektionsprozessen in großen Volumina erfordert jedoch neue Strategien, um die Aufnahmerate von Zwei-Photonen-Mikroskopen zu erhöhen. In Zusammenarbeit mit dem Leibniz-Institut für Virologie in Hamburg und der Medizinisches Laserzentrum Lübeck GmbH soll die neuartige SLIDE-Technologie im Rahmen des BSLIDE3-Projekts in einem Labor der biologischen Sicherheitsstufe 3 eingeführt werden, um eine Bildgebung von virologischen Prozessen mit kHz-Bildwiederholraten zu ermöglichen. Aufgrund der schwierigen Umgebungsbedingungen muss das System hohe Anforderungen in Bezug auf Robustheit und Zuverlässigkeit erfüllen. Im Rahmen dieses Projektes werden zwei Baugleiche SLIDE Prototypen entwickelt. Eine Einheit wird nach halber Projektlaufzeit in das LIV Hamburg integriert. Das zweite Mikroskop verbleibt am Medizinischen Laserzentrum in Lübeck, um als Forschungsmikroskop für das Projekt zu dienen. Darüber hinaus werden Weiterentwicklungen der Technologie untersucht: Neue Laserquellen werden entwickelt, um einen breiteren Anregungsbereich zu realisieren, und der Einsatz eines Objektivscanners ermöglicht die Erfassung von Volumina, so dass komplette Gewebestrukturen mit hohen Volumenraten abgebildet werden können.