Für die Entwicklung neuer Wirkstoffe in der Medizin braucht es Proben – und zwar riesige Mengen an Proben. Sie werden verschiedenen Behandlungen ausgesetzt und anschließend analysiert. Schon für einen einzigen Wirkstoff kann ihre Zahl bis in die Zehntausende gehen.
Bei einer Untersuchungsmethode, dem sogenannten „phänotypischen Screening“, werden Bakterien, Zellen oder Gewebe auf Platten mit bis zu mehreren tausend Vertiefungen platziert. Jede erhält eine andere Substanz und wird anschließend untersucht. Dabei beobachten Forschende mithilfe von Mikroskopen, wie die Proben reagieren, halten diese Reaktionen in Bildern fest und analysieren sie schließlich – mittlerweile häufig mit KI-Methoden, die subtile Veränderungen erkennen können, die für das menschliche Auge nicht sichtbar sind.
Um solche Details zu erfassen, brauchen herkömmliche Mikroskope Objektive mit hoher Vergrößerung. Das beschränkt die Größe des abgebildeten Bereichs jedoch auf einen kleinen Ausschnitt innerhalb einer Vertiefung, sodass das Mikroskop die Platte bewegen muss, um mehrere Bereiche innerhalb jeder Vertiefung abzutasten – und von einer Vertiefung zur nächsten zu wechseln. Aufgrund der schieren Anzahl der beteiligten Proben ist dieser Abtastvorgang sehr zeitaufwendig und kann zudem Artefakte erzeugen, die KI-Methoden in die Irre führen. Das macht den Prozess zu einem Engpass bei der Wirkstoffforschung und anderen groß angelegten biologischen Experimenten.
Dieses Problem will der Würzburger Wissenschaftler Shoma Kataoka jetzt mit der Entwicklung eines neuen Mikroskopie-Systems lösen, das auf das Abtasten verzichtet und trotzdem detaillierte Bilder aufnehmen kann: Für sein Forschungsprojekt „PtychoScreening – Fourier Ptychography Phenotypic Screening“ erhält hat er nun knapp 220.000 Euro Förderung aus den Marie-Skłodowska-Curie-Actions (MSCA) der Europäischen Kommission. Kataoka arbeitet am Lehrstuhl für Maschinelle Biophotonik an der Julius-Maximilians-Universität (JMU) im Team von Professor Christophe Zimmer.
Hochdurchsatz-Mikroskopie soll mehr als 1.000-Mal schneller gehen
Kataokas Projektziel ist ehrgeizig: In weniger als einer Minute soll die von ihm entwickelte Mikroskopie-Plattform eine komplette Probenplatte abbilden, ohne sie bewegen zu müssen. Und sie soll Strukturen sichtbar machen, die kleiner sind als ein halber Mikrometer – was etwa der Breite einer Bakterienzelle entspricht. Gleichzeitig könnte sie für Tests an Bakterien, Zellen oder Gewebe eingesetzt werden.
„Die Aufnahme von vielen Tausend Bildern durch das Abtasten einer Platte unter dem Mikroskop ist zeitaufwendig und führt zu unerwünschten Abweichungen, die nichts mit der Biologie zu tun haben“, erklärt der Forscher. „Das beeinträchtigt die Vergleichbarkeit und Zuverlässigkeit der Daten und bremst die Geschwindigkeit der Wirkstoffforschung. Wir gehen davon aus, dass wir mit unserer neuen Plattform die bestehende KI-basierte phänotypische Screening-Technik um mehr als das Tausendfache beschleunigen können.“
Die Plattform basiert auf einer als Fourier-Ptychographie-Mikroskopie bekannten Technik. Bei diesem computergestützten Verfahren werden mehrere Bilder mit niedriger Auflösung, die aus unterschiedlichen Beleuchtungswinkeln aufgenommen wurden, mathematisch zu einem hochauflösenden Bild zusammengesetzt. Dadurch lassen sich ein großer Bereich der untersuchten Probe und zugleich feine Strukturen von Bakterien oder Zellen abbilden. Für die schnelle Untersuchung kompletter Probenplatten reicht die Technik allerdings noch nicht aus. Deshalb will sie Kataoka in drei Punkten weiterentwickeln:
- Erstens sollen die Proben künftig mit einem leicht angepassten Fokus abgebildet werden. Dadurch kann eine speziell entwickelte Software aus den Bildern feinere Details rekonstruieren, als es die Pixelgröße der Kamera auf den ersten Blick vermuten lässt.
- Zweitens wird ein neuer Rechenalgorithmus entwickelt, um Verzerrungen auszugleichen, die typischerweise durch den Blick durch die Wände der Probenkammern und die gekrümmte Oberfläche der darin befindlichen Flüssigkeit verursacht werden. Dazu wird die Software die genaue Form und Anordnung der Mikrotiterplatte berücksichtigen.
- Drittens soll die Anzahl der benötigten Bilder reduziert werden. Kataoka beabsichtigt, hierfür eine als „Compressed Sensing“ bekannte Technik einzusetzen. Diese Methode nutzt die Tatsache, dass Bilder biologischer Proben hochgradig redundante Informationen enthalten. So soll es möglich werden, aus deutlich weniger Aufnahmen ein hochwertiges Gesamtbild zu erhalten.
Vom Maschinenbau zur biologischen Bildgebung
Kataoka promovierte 2025 im Bereich Ingenieurwissenschaften an der Universität Osaka. Dort erwarb er zuvor auch seinen Bachelor- und Masterabschluss im Maschinenbau. Von 2023 bis 2025 war er zudem Forschungsstipendiat der Japan Society for the Promotion of Science.
„Die Marie-Skłodowska-Curie-Förderung gibt mir die Möglichkeit, eigenständig in einem internationalen Umfeld zu forschen“, sagt Kataoka. „Ich kann an der Schnittstelle zwischen Bildgebung und biologischen Anwendungen arbeiten und durch die Zusammenarbeit mit anderen Forschenden neue Fähigkeiten entwickeln. Für mich ist das ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer eigenständigen wissenschaftlichen Laufbahn in der computergestützten Bildgebung.“
Mit dem Beginn der Förderung Mitte August 2026 will Kataoka die Fourier-ptychografische Mikroskopie zunächst an Bakterien und anderen biologischen Proben bewerten und herausfinden, welche praktischen Herausforderungen noch gelöst werden müssen, bevor er das System in der phänotypischen Wirkstoffentwicklung anwenden kann.
Kontakt
Dr. Shoma Kataoka, Postdoktorand, Rudolf-Virchow-Zentrum – Center for Integrative and Translational Bioimaging, Tel. +49 931 31-83791, shoma.kataoka@uni-wuerzburg.de.