Innovation. META erkennt den kleinen Unterschied. Das Magazin von Carl Zeiss. Mikroskopie und Prionen-Forschung

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1 Innovation Das Magazin von Carl Zeiss ISSN META erkennt den kleinen Unterschied Mikroskopie und Prionen-Forschung Minimal invasive Chirurgie an der Wirbelsäule Messen neben der Maschine

2 Vorwort Entwicklungsbiologie und Zellbiologie: zwei Fachgebiete kommen zusammen Prof. Kai Simons Entwicklungsbiologen und Zellbiologen haben lange Zeit ihre eigenen Felder bestellt. Aber jetzt kommen diese beiden Fachgebiete in unerwarteter und aufregender Weise zusammen. (Übersetzt aus Pearson, H.: Two become one, Nature, 20. Sept. 2001) Bild 1 (oben): Fibroblastenzelle (Dreifachfärbung): Zellkern (blau), Aktin-Stressfasern (rot), Lipid-Flöße (Glykosylphosphatidylinositol verankertes GFP, grün). (Aufnahme: D. Toomre). Bild 2 (unten): Auge einer Maus, stäbchenförmige Rezeptorzellen (Entwicklungsstadium): Plasmamembran-Protein Prominin (grün), Zellkerne (rot). (Aufnahme: K. Röper, D. Corbeil). In seinem 1896 veröffentlichten Lehrbuch Die Zelle in Entwicklung und Vererbung, das die biologische Forschung seit der Formulierung der Zelltheorie durch Schleiden und Schwann im Jahr 1839 zusammenfasst, kommt E. B. Wilson zu dem Ergebnis, dass der entscheidende Schlüssel für alle biologischen Probleme letztendlich in der Zelle gesucht werden muss. Durch die Analyse vieler verschiedener Organismen war den Biologen des 19. Jahrhunderts bereits zur Jahrhundertwende klar, dass alle Zellen ähnlich aufgebaut sind. Diese Erkenntnis, die aus der genauen Beobachtung des Zellverhaltens und der Zellstruktur mit so einfachen Mitteln wie der Lichtmikroskopie in Verbindung mit verschiedenen Färbemethoden gewonnen wurde, bereitete den Weg für die weitere biologische Forschung und führte zu dem Umschwung in der Biologie, der bis in die Gegenwart hineinreicht. Genetiker haben bei dem Enträtseln der molekularen Mechanismen, die für Vererbung und Entwicklung verantwortlich sind, eine Schlüsselrolle gespielt. Die Genanalyse war eines der wenigen Werkzeuge der Biologen, die ihnen zur Entwirrung der komplexen Vorgänge in der Zelle und zur Identifizierung der daran beteiligten Komponenten zur Verfügung standen. Letztendlich wurde der genetische Informationsweg so stark betont, dass die zelluläre Umgebung, in dem die Genprodukte aktiv sind, fast völlig in den Hintergrund gedrängt wurde. Typisch für diesen vereinfachenden Ansatz war die Reduktion der Prozesse auf die Wirkung einzelner Gene. Heute wissen wir, dass mehrere hundert Gene an der Steuerung der komplexen Entwicklungsvorgänge beteiligt sind. Die experimentellen Strategien zur Aufdeckung dieser Mechanismen haben sich daher geändert. Genanalysen werden durch neuartige Untersuchungen vervollständigt, die Einblicke in den zellulären Kontext und damit in die Lokalisation der Proteine gewähren. Die Zellen in einem Gewebe werden nicht mehr nur als Hüllen mit einem Zellkern angesehen. Entwicklungsbiologen ergänzen ihre experimentellen Werkzeuge mit den molekularen Methoden der Zellbiologen. Um die molekularen Vorgänge in einer Zelle zu verstehen, haben sich die Zellbiologen in den letzten 30 Jahren auf einige wenige Modellzellen konzentriert, wie zum Beispiel Hefe und einige Säugetierzellen wie Fibroblaste, Epithelzellen und Neuronalzellen. Mit der Erweiterung dieser Auswahl wird offensichtlich, dass bei grundlegend ähnlichem Aufbau der verschiedenen Zelltypen die für die Zell- und Gewebeorganisation verantwortliche Abfolge der embryonalen Entwicklung spezifisch ist. Ein Schlüssel zum Verständnis der Fähigkeiten und Arbeitsmechanismen der Zellmaschinerie ist die Analyse der Veränderungen während der Zelldifferenzierung. Auch dazu trägt die Zusammenarbeit von Zellbiologen und Entwicklungsbiologen bei. Neuartige Mikroskoptechniken haben das Gebiet der Zellbiologie verändert und werden jetzt auch zunehmend in der Entwicklungsbiologie eingebunden. Die konfokale Mikroskopie war hier Wegbereiter, indem sie ein klares, dreidimensionales Bild der Zellarchitektur durch Ausschaltung der außerhalb des Fokusbereichs liegenden Einflüsse ermöglichte. Optische Schnitte mittels Dekonvolution sind ein weiterer Weg zu einem aussagekräftigen Bild. Die Zweiphotonenmikroskopie ermöglicht einen Blick tief in das Gewebe hinein einen bisher unerreichten Zugang zum Präparat. Auch die Einführung des grün fluoreszierenden Proteins (GFP) ist für das Verstehen der Zellvorgänge richtungsweisend. Die Verwendung dieser Fluorochrome ermöglicht es den Zell- und Entwicklungsbiologen, die Zelldynamik mit Hilfe der Videomikroskopie zu verfolgen. Die Kombination aus Auflichtfluoreszenz und totaler Reflexions-Fluoreszenzmikroskopie machte es möglich, die Transportwege der Proteine vom Golgi-Komplex zur Zelloberfläche sehr genau zu verfolgen. Die genannten Methoden eröffnen faszinierende Aussichten auf bisher nicht darstellbare zelluläre Bereiche. Das Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden ist ein Beispiel für die neue Verbindung von Zell- und Entwicklungsbiologie. Gegenwärtig arbeiten zwanzig Forschungsgruppen an allen, die Entwicklungsbiologie dominierenden Tiermodellen: Drosophila, C. elegans, Zebrafisch und Maus. Wichtigstes Ziel der Forschung ist das Verständnis der molekularen Vorgänge in den Zellen, die zur Bildung von Gewebe führen. Die gemeinsame Forschung hat erst begonnen. Bald wird man mehr darüber wissen, wie die internen Abläufe in der Zelle auf die Entwicklung eines Organismus wirken. Prof. Dr. Kai Simons, Direktor des Max-Planck-Instituts für Molekulare Zellbiologie und Genetik, Dresden. Mail: kai.simons@mpi-cbg.de Net: 2 Innovation 10, Carl Zeiss, 2001

3 Inhalt Vorwort Entwicklungsbiologie und Zellbiologie: zwei Fachgebiete kommen zusammen 2 Prof. Kai Simons Inhaltsverzeichnis, Impressum 3 Von Anwendern für Anwender Mikroskopie und Prionen-Forschung 4 Interview mit Prof. Adriano Aguzzi Dünne Schnitte für faszinierende Farben 6 Jakob Zbären, Dr. Heinz Gundlach Was fossile Cyanobakterien über urzeitliche Ozeane verraten 8 Dr. Gernot Arp, Dr. Christian Böker Mehr Farbe bekennen in der Laser Scanning Mikroskopie 10 Sebastian Tille Minimal invasive Chirurgie an der Wirbelsäule 13 Schlechte Flaschen müssen raus 16 Für die Praxis Immer genau wissen, wie schnell sich die Erde dreht 18 Messen neben der Maschine 20 Bernd Balle Den kleinsten Winkel im Visier 22 Aus aller Welt Notizen aus der Schweiz 24 Zeiss Mikroskope an der Yale-Universität 25 Großes Fest zur Wiedereröffnung 26 Impressum Innovation Das Magazin von Carl Zeiss Nummer 10, November 2001 Innovation erscheint in unregelmäßiger Reihenfolge in deutscher und englischer Sprache. Sie ist hervorgegangen aus der Zeiss Information mit Jenaer Rundschau (1992 bis 1996), vormals Zeiss Information (1953 bis 1991) und Jenaer Rundschau (1956 bis 1991). Die Nummerierung der Ausgaben erfolgt fortlaufend, beginnend mit 1/1996. Herausgeber: Carl Zeiss, Oberkochen, Corporate Communications, Marc Cyrus Vogel. Redaktion: Dipl.-Phys. Gudrun Vogel (verantwortlich), Carl Zeiss Jena GmbH, Jena, Telefon ( ) , Telefax ( ) , g.vogel@zeiss.de und Dr. Dieter Brocksch, Carl Zeiss, Oberkochen, Telefon ( ) , Telefax ( ) , brocksch@zeiss.de, Deutschland, Medien-Service Wissenschaft, Stuttgart, Widera Kommunikation, Köln. internet: Preise Ehrungen Jubiläen 10. Geburtstag bei Carl Zeiss Jena 27 Lothar Janiak Zweimal rot gepunktet PRISMO für DaimlerChrysler 28 Optik-Award in Gold 29 Otto-Schott-Forschungspreis 29 Nobelpreis folgte Carl-Zeiss-Forschungspreis 30 Carl-Pulfrich-Preis Mit Hamsterauge im Mikroskop erfolgreich 30 Aufträge Kooperationen Zusammenarbeit mit Nobel-Stiftung 31 Messtechnik von HK-Technologies übernommen 31 Objektive für digitales Kino 31 Kurz berichtet Modernste Filmkamera der Welt 32 Ein altes Teleskop wirbt für neue Finanzgruppe 33 HypoVereinsbank setzt auf Zeiss 33 Wirtschaftsbarometer Bestes Ergebnis der Firmengeschichte 33 Marc Cyrus Vogel Produktreport Lichtmikroskopie Ophthalmologie Chirurgische Geräte 34 Elektronenmikroskopie Kameraobjektive Sports Optics, Augenoptik 35 Gestaltung: Corporate Design, Carl Zeiss, Oberkochen. Layout und Satz: Manfred Schindler Werbeagentur, Aalen. Druck: C. Maurer, Druck und Verlag, Geislingen a. d. Steige. ISSN , Carl Zeiss, Oberkochen. Nachdruck einzelner Beiträge und Bilder nur nach vorheriger Rücksprache mit der Redaktion und mit Quellenangabe. Anfragen zum Bezug der Zeitschrift und Adressenänderungen mit Angabe der Kundennummer (wenn vorhanden) bitte an die Redaktion richten. Bildnachweis: Wenn nicht besonders vermerkt, wurden die Bilder von den Verfassern der Beiträge zur Verfügung gestellt bzw. sind Werkfotos oder Archivbilder von Carl Zeiss. Autoren: Falls nicht anders angegeben über die Redaktion zu erreichen. Titelbild: Menschliches Chromosom 11 aus Darmzellen (HT 29), gefärbt mit Vielfarbbänderung. Mit LSM 510 META können weit mehr Farbstoffe als bisher gleichzeitig zur Markierung eingesetzt und ihre Fluoreszenzemissionen trotz spektraler Überlappungen exakt zugeordnet werden. META bietet mehr Informationen auf einen Blick, wodurch chromosomale Unregelmäßigkeiten erkannt und frühzeitig genetisch bedingte Krankheiten diagnostiziert werden können. Die bessere Strukturauflösung erhöht dabei die Treffsicherheit. Präparat: Dr. Th. Liehr, Dr. V. Beensen, Institut für Humangenetik und Anthropologie der FSU Jena ( i8lith@mti-n.mti. uni-jena.de). Aufnahme mit LSM 510 META: Dr.P.Ullmann, Carl Zeiss. (Siehe auch Beitrag: Mehr Farbe bekennen in der Laser Scanning Mikroskopie, Seiten 10 bis 12) Bild vierte Umschlagseite: Der weltweit größte und genaueste Ringlaser steht seit Oktober 2001im Bayerischen Wald in Wettzell tief unter der Erde. Für den Bau des Großringlasers war Carl Zeiss verantwortlich. (Siehe auch Beitrag: Immer genau wissen, wie schell sich die Erde dreht, Seiten 18 und 19). Innovation 10, Carl Zeiss,

4 Von Anwendern für Anwender Mikroskopie und Prionen-Forschung Mein Traum unter dem Mikroskop zu sehen, wie sich die Prionen bewegen. Er ist einer der führenden Forscher auf dem Gebiet der menschlichen Variante des Rinderwahnsinns, der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit: Professor Adriano Aguzzi hat die Welt mit seinen Erkenntnissen im Kampf gegen die tückische Krankheit ein erhebliches Stück weiter gebracht. Eine wichtige Rolle spielt dabei selbstverständlich auch das technische Instrumentarium, mit dem er die Erreger, die so genannten Prionen, untersucht. Innovation sprach mit dem renommierten Forscher in dem von ihm geleiteten Institut für Neuropathologie der Universität Zürich. Wie ist Rinderwahnsinn überhaupt entstanden? Das weiß man nicht so genau. Es gibt im Grunde zwei Theorien: Die eine besagt, dass Tiermehl verfüttert wurde, das Scrapie-infizierte Schafhirne enthielt. Die andere geht von Spontanmutationen beim Rind aus. Wahrscheinlich wird man es aber nie herausfinden können. Nun spielt Rinderwahnsinn in den Medien derzeit eine deutlich geringere Rolle als noch vor einem Jahr... Das stimmt. Aber für uns hat diese Diskussion nie eine große Rolle gespielt. Wir haben einfach unsere Arbeit weiter gemacht. die sich in starkem Maße um die neue Variante der Creutzfeldt- Jakob-Krankheit dreht. Wodurch unterscheidet die sich von der herkömmlichen Erkrankung? Wir gehen davon aus, dass die neue Variante der Creutzfeldt-Jakob- Krankheit beim Menschen dem Rinderwahnsinn entspricht. Die neue Variante befällt vorwiegend jüngere Leute, oft sogar Teenager. Außerdem ist der Krankheitsverlauf meistens länger. Hier rechnen wir mit ein, zwei Jahren, während die klassische Variante doch viel schneller abläuft. Wie viele Menschen sind an der neuen Variante der Creutzfeldt- Jakob-Krankheit eigentlich erkrankt? Wir gehen von derzeit etwa 120 aus. Mit welcher weiteren Entwicklung rechnen Sie da? Das ist sehr schwer zu sagen. Ich hoffe natürlich: So wenig wie möglich. Gibt es deutliche Unterschiede hinsichtlich der Gefährlichkeit der Varianten? Nein. Beide Varianten sind tödlich. Bloß die eine entsteht wahrscheinlich durch die Übertragung von BSE. Wo ist eigentlich der morphologische Unterschied zwischen normalem Rinderwahnsinn und der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit? Da gibt es natürlich eine ganze Reihe von Parametern. Zum Beispiel sind die Gewebemuster sehr unterschiedlich, und es findet sich erheblich mehr Plaque innerhalb des Gewebes. War die Mikroskopie ein entscheidendes Hilfsmittel, um die morphologischen Strukturen aufzudecken? Die ist auf jeden Fall sehr wichtig. Ich würde aber sagen, dass wir im Grunde alle technischen Mittel einsetzen, die für uns nützlich sind. Die Mikroskopie ist eines davon; die Lichtmikroskopie, die konfokale Mikroskopie und ebenso die Elektronenmikroskopie. Nun sind Sie ja in starkem Maße damit beschäftigt, die Infektionserreger, die so genannten Prionen, nachzuweisen. Wird die Mikroskopie dabei noch eine Rolle spielen? Aber sicher. Nehmen wir einfach mal die Bewegung von Prionen da haben wir noch nicht ausreichend Werkzeuge zur Verfügung, dieses Problem morphologisch und auch funktionell zu klären. Aber letztendlich müssen wir doch genau das tun. Für mich wäre es ein Traum, unter dem Mikroskop zu sehen, wie sich die Prionen zum Beispiel innerhalb der Milz oder innerhalb des Nervengewebes bewegen. Doch im Moment ist das alles noch nicht so weit entwickelt, dass man das auch alles wunschgemäß einsetzen kann. Nach wie vor ist beispielsweise die Sensibilität von Multiphoton-Verfahren für unsere Zwecke noch nicht gut genug. Heißt das, die Lichtmikroskopie ist für Sie keineswegs überholt? Richtig. Ich würde niemals sagen, die Mikroskopie sei überholt. Ich sage: Die Mikroskopie ist nicht weit genug. Bedeutet Ihre Unzufriedenheit, dass Sie im Mikroskop nicht genügend Strukturen auflösen können? Oder heißt es, dass es nicht genügend Marker für Prionen gibt, um sie im Lichtmikroskop nachzuweisen? Es heißt sicherlich beides. Aber bestimmt ist die Empfindlichkeit im Moment das größere Problem. Wie hat Ihnen das Mikroskop in den Anfängen geholfen? Rein auf der histologisch-morphologischen Basis oder auch mit entsprechenden Markern? So vor fünf, sechs Jahren haben wir viele morphologische Arbeiten durchgeführt. Das war sehr wichtig. Wir sind dann anschließend mehr zur Molekularbiologie gegangen. Aber ultimativ wäre es schon, zur Morphologie zurückzukehren. Aber dann mit lebenden Präparaten? Heißt das: vitale Schnitte? Ja, sicherlich. Aber das heißt es wohl nicht nur, sondern auch. 4 Innovation 10, Carl Zeiss, 2001

5 Die ganze Welt wartet derzeit auf eine sichere Möglichkeit, den BSE-Erreger zu zerstören, so dass garantiert BSE-freie Lebensmittel gehandelt werden können. Wie könnte der BSE-Erreger vernichtet werden? Und in welchem Zeitraum ist das in großem Maßstab umsetzbar? Da gibt es heute schon verschiedene Möglichkeiten. Etwa mit sehr hohen Temperaturen oder verschiedenen Chemikalien. Es gibt aber auch andere Bereiche, wo wir den BSE- Erreger nicht zerstören können. Zum Beispiel? Ich denke da etwa an das Blut. Hier ist es derzeit nicht möglich, eine Dekontamination herbeizuführen. Ich will jetzt auch nicht irgendwelche Voraussagen machen, wann das möglich sein wird. Dem Blut kommt ja bei der Übertragung der neuen Variante der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit eine ganz besondere Bedeutung bei. Das stimmt. Denn das Problem in der Zukunft ist weniger die Übertragung vom Rind auf den Menschen als vielmehr von Mensch zu Mensch. Warum das? Weil inzwischen alle Hochrisikoorgane wie Hirn und Rückenmark aus der menschlichen Nahrungskette entfernt wurden. Gleichzeitig tragen aber viele Personen den Rinderwahnsinn-Erreger im Körper. Es ist denkbar, dass der nun per Bluttransfusion oder über ungenügend sterilisierte Geräte auf andere Menschen übertragen wird. Wie lange dauert es dann bis zum Ausbruch der Krankheit? Zirka 15 bis 20 Jahre. In Tierversuchen haben Sie festgestellt, dass der Zeitraum bei Mäusen ziemlich exakt 200 Tage beträgt. Lässt sich dieser Zeitraum beim Menschen einmal ähnlich exakt bestimmen? Davon gehen wir aus. Derzeit ist die genaue Inkubationszeit leider unbekannt. Deshalb können wir auch nicht sagen, wann die Anzahl der menschlichen Krankheitsfälle ihren Höhepunkt erreicht haben wird. Unterstellen wir eine Inkubationszeit von 15 bis 20 Jahren ist das die Zeit, die Prionen brauchen, um ins Gehirn des Menschen zu gelangen? Ja, so ist es. Nur im Hirn scheint das Prion seine schädliche Wirkung zu entfalten. Wie kommt es zu diesem langen Zeitraum? Es gibt verschiedene Stationen, die die Prionen durchlaufen müssen, um bis ins Hirn zu kommen. Und wahrscheinlich bleiben sie irgendwo hängen. Wenn Prionen einmal im Gehirn angelangt sind, ist dann eigentlich alles zu spät? Wahrscheinlich ja. Aber auch das ist für uns natürlich interessant. Wir wollen schließlich verstehen, wie die Schädigung des Hirns vonstatten geht. Wo können Sie denn ansetzen im Hinblick auf eine mögliche Heilung? Das lässt sich ganz einfach sagen: Wir müssen die Prionen daran hindern, überhaupt bis zum Gehirn zu gelangen. Sie sprachen einmal davon, dass rund 100 Millionen Menschen mit dem Krankheitserreger in Berührung gekommen sind. Was bedeutet das? Sagen wir mal: Es bedeutet ganz bestimmt nicht, dass sich all diese Menschen angesteckt haben. Und nicht alle, die sich angesteckt haben, werden in Zukunft erkranken. Da spielen viele Faktoren eine Rolle, dazu gehört etwa die genetische Disposition, über die wir nichts wissen Nun gibt es ja im Hinblick auf die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit auch noch andere Theorien. Es gibt die Anhänger der Virentheorie, und es gibt Forscher, die etwa Chemikalien als wichtige Co-Faktoren ansehen. Was halten Sie eigentlich von derlei Ansätzen? Es ist immer gut, dass man unterschiedliche Ansätze hat und dass man die immer wieder überprüft. Insofern kann ich nur begrüßen, dass verschiedene Wissenschaftler auch verschiedene Hypothesen aufstellen. Am wahrscheinlichsten ist jedoch nach wie vor die Prionen-These. Haben Sie als Wissenschaftler eigentlich noch Appetit auf Rindfleisch? Aber sicher. Das Fleisch selbst war ja auch das geringste Problem. Sorgen bereiteten vielmehr die ganzen Bestandteile, die mit eingearbeitet wurden. Zum Beispiel Hirn oder Separatorenfleisch. Aber zum Glück sind derlei Dinge ja inzwischen vom Markt genommen. Adriano Aguzzi, Institut für Neuropathologie der Universität Zürich, Schweiz. Mail: Net: aguzzi00.htm Professor Dr. Adriano Aguzzi, Direktor des Instituts für Neuropathologie der Universität Zürich und des Nationalen Schweizer Referenzzentrums für Prionenerkrankungen und Mitglied des wissenschaftlichen BSE-Beratungsausschusses der britischen Regierung und der EU- Kommission, in seinem Labor an einem Forschungsmikroskop Axioplan 2 imaging mit digitaler Mikroskopkamera AxioCam. (Aufnahme: Jesper Dijohn). Innovation 10, Carl Zeiss,

6 Dünne Schnitte für faszinierende Farben Jakob Zbären, Heinz Gundlach Nieren einer Ratte, Kunststoffschnitt 0,75 µm, 2-fach Markierung mit Laminin (CY 3) Filter FS 41007a, (10 s), Zellkerne (DAPI) Filter 01 (16 s, Graufilter). Bild 2: Rattenzunge, Kunststoffschnitt 0,75 µm, 3-fach Markierung mit Cytokeratin CY 3, Filter FS 41oo7a (Belichtung 15 s), Vimentin (ALEXA 594), Zellkerne (DAPI). Filter 01 (10 s, Graufilter). Fast 100 Jahre ist es her, dass August Köhler und Moritz von Rohr zum ersten Mal in einem Mikroskop mit ultravioletter Beleuchtung Fluoreszenzerscheinungen beobachteten. Heute ist die Fluoreszenzmikroskopie ein weit verbreitetes Verfahren in der Zellforschung, Histologie, Genetik und vielen anderen Bereichen. Ganz neue Möglichkeiten bieten sich der biomedizinischen Forschung durch die Verbindung von Fluoreszenz, konfokaler Laser Scanning Mikroskopie und leistungsfähiger digitaler Bildverarbeitung. Genannt seien hier nur die Stichworte Mehrfarben-FISH, Multi- ColorBanding und ganz neu LSM 510 META, ein System bisher unbekannter Flexibilität, das in diesem Heft erstmals vorgestellt wird. Kunststoff und Antikörper Aber auch bei der traditionellen Fluoreszenzmikroskopie ist die Entwicklung nicht stehen geblieben. Die Fortschritte der letzten Jahre wurden durch Mehrfachfluoreszenz-Techniken, durch die Entwicklung neuer Farbstoffe, die Verbesserung in der mikrofotografischen Technik sowie den Einsatz der digitalen Fotografie und Bildverarbeitung erreicht. Nicht zuletzt haben neue Präparationstechniken dazu beigetragen, dass Bilder von hohem wissenschaftlichem Aussagewert und ästhetischer Schönheit entstehen können. Eine dieser Techniken sind Kunststoffschnitte. Gegenüber der traditionellen Einbettung der Präparate in Paraffin erreicht man bei der Verwendung von Kunststoff 10-mal kleinere Schnittdicken, bis hinunter zu weniger als 1 µm. Bei der Färbung dieser Präparate mit immunhistochemischen Verfahren vermögen die großen Antikörpermoleküle als Träger der Fluoreszenzfarbstoffe nicht in den Kunststoff einzudringen, die Antikörper binden nur an der Schnittoberfläche. Mit anspruchsvollen Mikroskopsystemen, wie z. B. Axioplan 2 Imaging oder Axiovert 200, und hoch sensitiven Nachweismethoden gelingt eine noch höhere Auflösung von Objektdetails (Bilder 1 und 2), als bisher möglich war. Sie ist durchaus mit der niedrig vergrößernder Elektronenmikroskope vergleichbar. Aber auch mit dem inversen Mikroskop Axioskop 2 können solche Fluoreszenzen beobachtet und dokumentiert werden (Bilder 3 und 4). Von Blau bis Rot Neue Farbstoffe, sogenannte Fluorochrome mit dem Familiennamen ALEXA, überstreichen das gesamte Spektrum vom Blau bis zum Rot und liefern eine bis dahin nicht gekannte Farb-Brillanz. Die hochpräzise Filter- 6 Innovation 10, Carl Zeiss, 2001

7 Von Anwendern für Anwender technologie der Doppel- und Dreifach-Bandpassfilter ermöglicht die gleichzeitige Darstellung und Analyse von zwei oder drei Fluoreszenz-Farbstoffen mit nur einem einzigen Filtersatz. Konventionell, d.h. mit der klassischen Mikrofotografie, können in Verbindung mit hochauflösenden Farbfilmen bis zu vier Fluoreszenzen in hohem Kontrast mit exzellenter Auflösung gleichzeitig dargestellt werden (Bilder 3 und 4). Die Cyanin Farbstoffe Cy 5, Cy 5.5 und Cy 7 haben den Anwendungsbereich im roten und infraroten Bereich erweitert, ihre Darstellung und Auswertung ist aber nur mit digitalen Methoden möglich. Bilder 3 und 4: Menschliche Endothelzellen. Bild 3: 4-fach Markierung mit Actin (Phalloidin- ALEXA 594), von Willebrand Faktor (ALEXA 350), Vinculin (ALEXA 488) Mischfarbe, Zellkern (DAPI). Filter 01 (24 s, Graufilter), Doppelbandpass Filter 24 (28 s). Bild 4: 4-fach Markierung: Actin (Phalloidin/TRITC), von Willebrand Faktor (ALEXA 350), Tubulin (ALEXA 488), Zellkern (DAPI). Doppelbandpass Filter 23 (45 s), Filter 01 (15 s, Graufilter). (Aufnahmen: Jakob Zbären mit Axioplan 2 Imaging, Apoplanar 20/0,75, (Bilder 1 und 2) und Axioskop 2, Plan-NEOFLUAR 63/1,25, (3 und 4), MC 80, Doppelbelichtung). Jakob Zbären, Thromboselabor, Inselspital Bern. Mail: jakobzb@hotmail.com Dr. Heinz Gundlach, Bereich Forschung und Technologie, Carl Zeiss. Mail: gundlach@zeiss.de 7

8 Vo n A n w e n d e r n f ü r A n w e n d e r Was fossile Cyanobakterien über urzeitliche Ozeane verraten Gernot Arp, Christian Böker Cyanobakterien (Blaugrünalgen) existieren seit mindestens 2,7 Milliarden Jahren und gehören damit zu den ältesten Organismen der Erde. Wie die später auftretenden Pflanzen betrieben sie schon damals eine Photosynthese, bei der Kohlendioxid aufgenommen und Sauerstoff freigesetzt wird. Dadurch haben Cyanobakterien im Laufe des Präkambriums, der Zeit zwischen 3,8 Milliarden und 540 Millionen Jahren vor heute, eine sauerstoffreiche Atmosphäre geschaffen, die die Entwicklung höheren Lebens im Wasser und zu Land überhaupt erst ermöglichte. Heutige cyanobakterielle Kalkriffe (Stromatolithen) am Ufer des Lake Thetis, West-Australien. (Aufnahme: J. Reitner, Göttingen). In den Uferzonen von Seen und Ozeanen bilden Cyanobakterien zusammen mit anderen Mikroorganismen sogenannte Biofilme, die unter geeigneten Bedingungen verkalken und meterhohe feinschichtige Riffe aufbauen können (Bild 1). Mächtige Kalkriffe, sogenannte Stromatolithen, entstanden bereits im Präkambrium und zählen zu den ältesten Fossilien der Erde. Dr. Gernot Arp Dr. Christian Böker 8 Innovation 10, Carl Zeiss, 2001

9 Von Anwendern für Anwender Bild 2: Biofilm mit Cyanobakterien (gelb, Durchmesser 5 µm), Kalzitkristallen (grün) und einem Nematoden (grünliches Band) aus einem Soda-See (Pyramid Lake, Nevada). Die Projektion von 60 konfokalen Bildebenen zeigt, dass die Cyanobakterien unter den im See herrschenden Bedingungen keine Kalkhüllen abscheiden können, sondern die Kalzitkristalle ungeordnet im Biofilm vorliegen. Die Aufnahme wurde mit einem konfokalen Laser Scanning Mikroskop LSM 510 von Carl Zeiss gemacht. Bisher glaubte man, dass Cyanobakterien durch die photosynthetische Kohlendioxidaufnahme das chemische Gleichgewicht in ihrer unmittelbaren Umgebung so verschieben, dass Kalziumkarbonat in ihren Schleimhüllen ausgefällt und dadurch eine stromatolithische Riffbildung verursacht wird. Aber nicht alle fossilen Cyanobakterien in den Kalkriffen haben eine Kalkhülle. Mikroskopische Aufnahmen heutiger mineralisierender Cyanobakterien zeigen, dass die Kalkkristalle meist regellos in der Schleimmatrix der Biofilme entstehen (Bild 2) und nur in Ausnahmefällen direkt an die Cyanobakterien gebunden sind. Das Geheimnis um diese Ausnahmefälle konnten die Geobiologen Gernot Arp, Andreas Reimer und Joachim Reitner vom Göttinger Geowissenschaftlichen Zentrum jetzt aufklären. Ihre Modellrechnungen zeigen, dass die cyanobakterielle Photosynthese eine Kalkfällung nur dann bewirkt, wenn im Wasser gleichzeitig hohe Konzentrationen an Kalzium und niedrige Konzentrationen an anorganischem Kohlenstoff gelöst sind. In welchen Jahrmillionen dies der Fall gewesen sein muss, kann anhand kalkiger Cyanobakterien-Fossilien verfolgt werden. Berücksichtigt man den atmosphärischen Kohlendioxidgehalt der Luft, der für die Erdzeitalter zum Beispiel anhand der Spaltöffnungsdichte auf Gingko-Blättern abgeschätzt werden kann, ist es erstmals möglich zu berechnen, wie hoch die Kalzium-Konzentrationen der vergangenen Ozeane mindestens gewesen sein müssen. Dabei zeigt sich, dass der Kalziumgehalt mehrfach zwischen den heutigen und bis zu dreimal höheren Werten schwankte. Da Kalzium eine wichtige Rolle im Stoffwechsel der Lebewesen spielt, könnten genauere Kenntnisse über Änderungen der Kalziumkonzentration im Ozean z. B. Rückschlüsse auf die Evolution von Schalentieren und die Skelette von Wirbeltieren erlauben. Die renommierte amerikanische Wissenschaftszeitschrift Science nahm die neuen Erkenntnisse zur Kalkproduktion von Cyanobakterien zum Anlass, als Titelbild der Ausgabe vom 1. Juni 2001 die Laser-Scanning-Aufnahme eines Biofilms mit Cyanobakterien auszuwählen und die Forschungsergebnisse der Göttinger Wissenschaftler in einem Fachbeitrag zu veröffentlichen. Dr. Gernot Arp ist Mitarbeiter im Geowissenschaftlichen Zentrum, Abteilung Geobiologie, Universität Göttingen. Mail: garp@gwdg.de. Net: Dr. Christian Böker ist Applikationsspezialist für Laser Scanning Mikroskopie bei Carl Zeiss. Mail: c.boeker@zeiss.de Innovation 10, Carl Zeiss,

10 Von Anwendern für Anwender Mehr Farbe bekennen in der Laser Scanning Mikroskopie Sebastian Tille Die Zubereitung eines Kaffees gelingt nicht immer gleich. Und wenn er einmal besonders gut schmeckt, hat man meist vergessen, wieviel von welchem Pulver auf welche Wassermenge, wieviel Milch dazu und waren es nun ein oder zwei Stück Zucker? Ideal wäre es, mit einem Blick aufs Ganze die Zusammensetzung bestimmen zu können, ohne die gelungene Mischung auseinandernehmen zu müssen. In der biomedizinischen Forschung hieße die Frage: Welche Bestandteile hat eine intakte Zelle und wie sind sie miteinander verknüpft? Neben der Struktur interessieren vor allem aber funktionale Zusammenhänge in lebenden den Karten aufzudecken wissen statt raten! Auf die wissenschaftlichen Experimente übertragen bedeutet das: eindeutige und zuverlässige Aussagen. Zukunft ins Heute holen Gezaubert wird auch bei Carl Zeiss nicht, aber wir zeigen mit einem völlig neuartigen Ansatz den Anwendern von Laser Scanning Mikroskopen (LSM) experimentelle Möglichkeiten, die bis dato in unerreichbarer Ferne schienen. Das neue LSM 510 META mit seiner revolutionären Emission-Fingerprinting-Methode erlaubt Zellen und Organismen, woraus der zweite Wunsch resultiert: Aktive Zellen wie einen Urlaubstag in einer einzigen Aufnahme festhalten zu können, mit sämtlichen Ereignissen, auch denen, die zunächst nicht offen sichtbar sind. Ein dritter Wunsch, den Kinder und Eltern gleichermaßen beim Memory-Spiel haben: immer sofort die zwei zueinander gehörenunterschiedlicher Wellenlänge angeregt wurden. Im Rahmen der Life Sciences werden neben der Erforschung von Strukturen die Analysen von funktionalen Zusammenhängen in der Zelle immer wichtiger: Nachdem die Genetiker die Sequenzierung des menschlichen Genoms abgeschlossen haben, interessieren sie sich nun für die Aufgaben jedes einzelnen Gens. Zellbiologen wollen nicht nur wissen, was für Proteine in einer Zelle existieren, sondern welche Funktionen sie ausüben, mit welchen anderen Proteinen sie in Wechselwirkung treten. Aufnahmetechniken wie z. B. FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer) Dieses System erlaubt die Durchführung von FRAP- Experimenten auf sehr einfache Weise. Ich bedaure, dass ich dieses System nicht schon früher nutzen konnte. Prof. Yasushi Hiraoka,Kansai Advanced Research Center, Kobe, Japan. erstmals die saubere Trennung von mehreren, auch sich spektral überlappenden Fluoreszenzsignalen einer Probe. Die Anzahl der im Experiment einsetzbaren und nachweisbaren Farbstoffe wird hierbei quasi nicht limitiert. Damit überwindet dieses System die Grenzen bisheriger Nachweismethoden und gestattet eine sowohl qualitative als auch quantitative Analyse, schnell und exakt, in vitro und in vivo. GFP und Life Sciences Laser Scanning Mikroskope sind wissenschaftliche Werkzeuge in erster Linie für die Biomedizin. Sie erlauben den Blick in Zellen und Gewebe. Mit Hilfe der Fluoreszenztechnik können Zellbestandteile sichtbar gemacht werden, die mit verschiedenen Farbstoffen markiert und von Laserlinien oder FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching), mit denen dynamische Veränderungen der Fluoreszenzemission verfolgt werden können, werden hierzu intensiv genutzt. Die Entdeckung von natürlichen Fluoreszenzfarbstoffen, dem grün fluoreszierenden Protein (GFP) und seinen Varianten (Bilder 3a und 3b), war ein bedeutender Schritt für die Multifluoreszenz-Mikroskopie. Dieser nicht-toxische Farbstoff kann von Zellen selbst hergestellt werden und macht damit die Beobachtung von lebenden Objekten über lange Zeit möglich. Doch auch hier sind Schranken gesetzt: Die seitdem verbesserten lebenden Farben haben spektrale Eigenschaften, die den simultanen Einsatz erschweren. Das Problem heißt Signalüberlappung (engl. Crosstalk). Bei Verwendung mehrerer 10 Innovation 10, Carl Zeiss, 2001

11 Von Anwendern für Anwender LSM 510 META ein konfokales Laser Scanning Fluoreszenzmikroskop öffnet den Forschern Türen zu neuen Experimenten. 2a 2b Emission Intensität FITC GFP Wellenlänge [nm] 2c Bilder 2a bis 2c: Kultivierte Fibroblasten mit Expression eines GFP- Histon2B-Fusionsproteins, Aktin-Filamente markiert mit FITC-Phalloidin. Bestrahlung mit 488 nm. Darstellung mit dem neuen Emission-Fingerprinting- Verfahren (2a) und mit herkömmlichem Bandpass- Filter 505 bis 530 nm (2b). Abstand der Emissionsmaxima von GFP und FITC 7 nm (2c). Farbstoffe wird es schwierig bis unmöglich, Wellenlängenbereiche zu finden, in denen garantiert nur ein Farbstoff emittiert, dessen Signal demzufolge mit herkömmlicher Bandpass-Detektion aufgenommen werden kann. Teilweise konnte man dieses Problem mit dem sogenannten Multitracking-Verfahren der Zeiss LSM lösen. Machtlos war man jedoch, wenn mehrere zu trennende Farbstoffe von einer einzigen Laserwellenlänge zur Fluoreszenz angeregt wurden, eine Trennung mit Hilfe von Bandpass-Detektion ist in diesem Fall nicht möglich. Emission-Fingerprinting Die Lösung für Multifluoreszenz- Anwendungen Durch die kontinuierliche Zusammenarbeit mit den Anwendern waren uns diese Engpässe bekannt, ebenso die Notwendigkeit, für zukünftige Applikationen neue Wege zu schaffen. Das Emission-Fingerprinting-Verfahren basiert auf einem neuartigen Multikanal-Detektor, auf den das gesamte Emissionsspektrum projiziert wird und der durch schnelle Elektronik diese Signale in digitale Informa- Die neuen Messoptionen des Gerätes bieten eine neue Qualität der Auswertung. Die Daten sind deutlich besser interpretierbar als solche, die durch konventionelle Systeme mit Bandpässen bzw. Filtersätzen erhoben werden. Dr. Frank-D. Böhmer, Arbeitsgruppe Molekulare Zellbiologie, Friedrich-Schiller-Universität Jena, Deutschland. Innovation 10, Carl Zeiss,

12 Von Anwendern für Anwender Bilder 3a und 3b: Anregungs- und Emissionsspektren des für das Studium lebender Zellen so bedeutenden grün fluoreszierenden Proteins GFP und seiner Varianten CFP, YFP und DsRed, die, simultan verwendet, mit bisherigen Methoden (Bandpass- Detektion) nicht exakt zu trennen waren. (Quelle: Clontech). Anregung CFP GFP YFP DsRed Emission CFP GFP YFP DsRed Wellenlänge [nm] 3a Wellenlänge [nm] 3b Bild 4: Eindeutige Trennung von CFP-RanGAP1- (blau, Proteine im Zellplasma), GFP-Emerin- (grün, Proteine in Zellmembran) und YFP-SUMO1- Expression (rot, Zellkerne) in kultivierten Zellen. (Prof. Y. Hiraoka, KARC, Kobe, Japan). Bild 5: Zebrafisch-Embryo, Auge und Teil des Gehirns; Zelladhäsionsmolekül Tag-1 (Alexa Fluor 488, grün), Tubulin (Cy3, rot), Zuckerepitop PSA (Cy5, violett), Zellkerne (DAPI, blau). (Dr. M. Marx, Prof. M. Bastmeyer, Universität Konstanz, Deutschland). tionen wandeln kann. In drei einfachen Schritten ist es nun möglich, die Emissionssignale der einzelnen Farbstoffe voneinander zu trennen: 1. Die Aufnahme eines Lambda- Stacks, eines Stapels von x-y-bildern, der die spektrale Verteilung des Fluoreszenzlichtes als Parameter jedes Bildpunktes im untersuchten Objekt enthält. 2. Ermittlung der spektralen Signaturen in ausgewählten Probenstellen oder Laden von Referenzspektren der verwendeten Fluoreszenzfarbstoffe aus der Datenbank. 3. Anwendung des Linear-Unmixing-Algorithmus, d. h. einer digitalen Trennung der überlagerten Fluoreszenzsignale in einzelne Bild-Kanäle, welche jeweils nur die Intensitäten eines Farbstoffes, sauber voneinander getrennt, enthalten. Das LSM 510 META erleichtert FRET- Anwendungen deshalb ungemein,weil man die spektrale Information über beide am Energie- Transfer beteiligte Proteine (Donor und Akzeptor) erhält. Mary Dickinson, PhD, Biological Imaging Center, Caltech, Pasadena, USA. Das vollständig in die LSM-Software integrierte Emission-Fingerprinting- Verfahren ist einfach zu bedienen. Es bietet die einzigartige Möglichkeit, Fluoreszenzsignale zu trennen, die nur von einer Laserlinie angeregt wurden, wie z. B. bei der Multiphotonen-Mikroskopie. Ebenso ist es in vielen Fällen vorteilhaft, unerwünschte Signale, wie Hintergrund oder Autofluoreszenzen, zu eliminieren. Das neue Verfahren des LSM 510 META löst all diese Aufgaben durch die Kenntnis der spektralen Eigenschaften der Probe und der darin enthaltenen Farbstoffe übertragen auf das Memory- Spiel deckt es, ohne dem Zufall eine Chance zu lassen, die zueinander gehörenden Karten auf. Die Aufnahme der Lambda-Stacks kann mit 3Doder/und Zeitserien-Aufnahmen (x, y, z, t, λ) kombiniert werden. Aufgrund der elektronischen Ansteuerung des Multikanal-Detektors geht dies schnell und reproduzierbar. Im Zusammenhang mit den Informationen über das komplette Emissionsspektrum hat man so analog zum gesamten Urlaubstag die Ereignisse in den Zellen verfügbar. Ein breites Spektrum von Applikationen wurde bereits erfolgreich getestet und die Anwender sind von der Methode, die ihnen weitreichende Freiheiten in der Auswahl und Anzahl der Fluoreszenzfarbstoffe bietet, begeistert. Das LSM 510 META wird dazu beitragen, dass Forscher noch effizi- enter und erfolgreicher arbeiten können. Dies bringt mehr Zeit, sich z. B. bei einer guten Tasse Kaffee von den erweiterten Möglichkeiten des Systems inspirieren zu lassen und mit neuen Experimenten weitere Geheimnisse der Biologie zu entdecken. Sebastian Tille ist Produktmanager Laser Scanning Mikroskopie bei Carl Zeiss. Mail:stille@zeiss.com Net: Innovation 10, Carl Zeiss, 2001

13 Von Anwendern für Anwender Minimal invasive Chirurgie an der Wirbelsäule Rückschritt oder Fortschritt? Auf dem Symposium Minimal invasive Trends im Bereich der Wirbelsäule, zu dem Carl Zeiss im Rahmen der 52. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Neurochirurgie im Mai 2001 nach Bielefeld eingeladen hatte, diskutierten Mediziner und Gerätehersteller die Frage: Ist die Endoskopie ein Fort- oder Rückschritt für die Neurochirurgie? Die Teilnehmer am Symposium waren beeindruckt von den neuen Möglichkeiten, aber auch kritische Stimmen wurden laut: Wir haben ganz tolle neue Techniken, die Frage bleibt wer kann was womit tun? Einige der dort vertretenen Chirurgen kommen an dieser Stelle zu Wort. Technik mit allen Raffinessen Dr. Robert S. Bray Im Operationssaal der Zukunft werden unterschiedliche minimal invasive Methoden sicher parallel, hintereinander oder alternierend ihre Anwendung finden. Im Cedars Sinai Hospital wird dies bereits praktiziert. Die technische Ausrüstung reicht von modernsten Mikroskopen über Navigationshilfen, 3-D-Endoskopen bis zu stimmaktivierten Robotern. Die Möglichkeit, live Operationen im Internet zu übertragen, besteht bereits, die Archivierung erfolgt voll digital, die technischen OP-Einrichtungen, wie Lampen und Kameras, können stimmkontrolliert gesteuert werden. Zwei Experten der Klinik haben sich auf Diskusoperation und Thorakoskopie spezialisiert. Sie bieten Workshops an, in denen die Teilnehmer die Methoden Schritt für Schritt erlernen Dr. Robert S. Bray Jr., M.D., Leiter der Abteilung für Wirbelsäulenchirurgie (Institut for Spinal Disorders) am Cedars-Sinai Medical Center in Los Angeles. Mit mehr als mikrochirurgischen Eingriffen im Bereich der Wirbelsäule ist er ein anerkannter Spezialist auf diesem Gebiet. 2a Prof.Dr.med.Robert Schönmayr, Dr.-Horst- Schmidt-Kliniken GmbH, Klinikum der Landeshauptstadt Wiesbaden. Das System OPMI Vario/NC 33 wurde exklusiv für minimal invasive Eingriffe im Bereich der Wirbelsäule entwickelt. 2b Bilder 2a und 2b: Mit höherer Vergrößerung und stärkerer Beleuchtung sind im Operationsmikroskop (2a) mehr anatomische Details zu erkennen als mit der Lupe (2b). Innovation 10, Carl Zeiss,

14 Vo n A n w e n d e r n f ü r A n w e n d e r Was heißt minimal invasiv OA Dr. Wolfgang Börm Bezirkskrankenhaus Günzburg, Neurochirurgie Bild 3: Durch das ergonomische Design des Operationsmikroskops kann der Chirurg sogar über längere Zeit äußerst bequem arbeiten. Minimal invasiv hinter den zwei Worten verbirgt sich ein Gummibegriff. Eigentlich ist nur der Schnitt minimal, darunter passiert auch bei minimal invasiv einiges. Für den Heilungserfolg ist nicht die Länge des oberflächlichen Schnittes, sondern die Gewebetraumatisierung darunter wesentlich. Aufgrund unserer Erfahrungen werden wir wohl auch in Zukunft nicht rein endoskopisch vorgehen. Wir bevorzugen die Vorgehensweise unter Sicht. Im zweidimensionalen Endoskopbild ist die Kontrolle nicht so gut, die Aorta ist ganz nah. können. Eine anteriore lumbale Fusion ist zum Beispiel durch vier Schnitte möglich, die Patienten verbleiben lediglich zwei Tage in der Klinik, selbst wenn die Stabilisierung über mehrere Segmente erfolgte. Der Klinikaufenthalt für eine vordere und hintere Stabilisierung liegt in Einzelfällen bei nur eineinhalb Tagen. Jede Wirbelsäule, außer der stark skoliotischen, kann ein Fall für die Endochirurgie sein. Der Arzt wird durch die Entwicklung moderner Technik auch in Bereichen operieren können, wo die Hände keinen Platz mehr haben. Der große Vorteil von Robotern wird sein, dass diese nicht ermüden. So gelang es bereits bei sechs Patienten über einen nur 3 cm langen Schnitt neue künstliche Bandscheiben einzusetzen. Am Cedars Sinai Hospital wird neben den vorgestellten Eingriffen mit raffinierter HighTech-Ausstattung aber auch ganz traditionell operiert. 14 Quo vadis Prof. Dr. Robert Schönmayr Die Frage ist nicht Endoskop versus Mikroskop, sondern die Kombination beider Techniken. Der Übergang auf das Endoskop ist für mich aber eher ein Rückschritt. Für uns ans Operationsmikroskop Gewöhnte ist es ein großer Nachteil, dass die Dreidimensionalität fehlt. Zukunft haben die Miniaturisierung der offenen Operationen und die Erweiterung perkutaner Techniken. Für den Patienten ist es psychologisch wichtig, nur einen kleinen Schnitt zu haben, je minimaler invasiv vorgegangen wird, umso besser ist es. In den USA sind die Liegezeiten nicht zuletzt aufgrund der weiteren Verbreitung der Schlüssellochchirurgie wesentlich geringer als zum Beispiel in Deutschland.Weiter verbessert werden sollten Navigationshilfen, Robotik, Aktionsfähigkeit und Miniaturisierung.Die Mobilität der Geräte muss gesteigert und der Platzbedarf gesenkt werden. Präparieren unterm Mikroskop Dr. Hans-J. Meisel Berufsgenossenschaftliche Kliniken, Bergmannstrost, Neurochirurgie, Halle Der Reparaturgedanke, das Biologische Repair muss im Vordergrund stehen. Es gilt, knöcherne Anteile so vorzubereiten, dass Knochen wieder anheilen können und keine degenerierten Knorpelschichten in der Fusionszone belassen werden. Hierzu muss eine Technik verwendet werden, die offen mikrochirurgisch durch das Mikroskop oder endoskopisch attestiert über einen möglichst kleinen Zugang erfolgen kann, um eine geringe Traumatisierung und eine geringe Muskeldestruktion sicherzustellen. Somit kann über einen kleinen Zugang eine Dekompression im Bereich des Spinalkanals erreicht und die nötigen Maßnahmen zur Stabilisierung vorgenommen werden. Ein bislang großer Eingriff wird auf diese Weise minimalisiert. Innovation 10, Carl Zeiss, 2001

15 Von Anwendern für Anwender Bedarf erkannt 4a Probleme mit der Wirbelsäule setzen in immer jüngeren Jahren ein. Das liegt an den heute überwiegend im Sitzen ausgeführten Berufstätigkeiten und daran, dass die Freizeit ebenfalls zu viel im Auto oder im Sessel verbracht wird. Wir haben mit höherem Stress bei weniger Bewegung zu kämpfen. Übergewicht bei immer mehr Menschen der westlichen Welt und eine höhere Lebenserwartung kommen als Ursache hinzu. Dies sind alles Gründe, die erwarten lassen, dass im Wirbelsäulen-Bereich zukünftig mehr Operationen durchgeführt werden. Nach Angaben von führenden Neurochirurgen werden derartige Eingriffe in den nächsten 5 bis 7 Jahren um 40 % zunehmen. Die Patienten fordern vom Chirurgen, dass sie schnell und dauerhaft beschwerdefrei sind und weniger Schmerzen erleiden müssen, die Krankenversicherungen drängen auf niedrige Kosten. Die Medizin trägt diesen Ansprüchen durch minimal invasive Methoden Rechnung. Operationsmikroskope sind hierfür ideale Arbeitsmittel zur Visualisierung. ten Partner für den Wirbelsäulen- Chirurgen. Das Operationsmikroskop besticht durch eine brillante, apochromatische Optik, unglaublich einfache Benutzerführung, flexibles Positionieren und beeindruckende Lichtqualität mit Tageslichtcharakter. Visualisierungslösungen von Carl Zeiss haben es den Chirurgen ermöglicht, innovative, minimal invasive Techniken zu entwickeln, die die Operationsergebnisse und vor allem die Lebensqualität der Patienten verbessern. Mail: h.wolf@zeiss.de Net: 4b Bilder 4a und 4b: Ventrale Entfernung von Halswirbelbandscheiben (schematisch). Gute Ergebnisse im Fokus Die Bedeutung minimal invasiver Eingriffe an der Wirbelsäule ist unumstritten, die Belastung für den Patienten wird dadurch reduziert und die anschließende Rehabilitation verkürzt. Durch mikrochirurgische Operationstechniken konnte z. B. die Aufenthaltsdauer in einem Krankenhaus von 4,6 auf 1,4 Tage und die Kosten um mehr als die Hälfte reduziert werden (Quality Study of the Cedars Sinai Medical Center). Das OPMI Vario/NC 33 System wurde genau für die Bedürfnisse des Spine Marktes konzipiert. Die symmetrische Konfiguration des Gerätes und die Bedienfreundlichkeit des Systems machen es zu dem kompeten- Bild 5: Entfernung der Bandscheibenreste an der Lendenwirbelsäule (schematisch). Innovation 10, Carl Zeiss,

16 Von Anwendern für Anwender Schlechte Flaschen müssen raus Während der Herstellung laufen die Glasflaschen am Online-Heißendprüfgerät mit den telezentrischen Messobjektiven vorbei. (Aufnahme: ART-KON-TOR, Jena). Die Online-Kontrolle der Glasbehälter direkt im Anschluss an die Produktionsmaschine hat wesentliche Vorteile gegenüber der traditionellen Kalt- End-Inspektion: Bereits wenige Sekunden nach der Herstellung werden die Flaschen vermessen und sortiert. Darüber hinaus ordnet das Heißendprüfgerät erkannte Fehlermerkmale eindeutig den produzierenden Werkzeugen zu, so dass die Fehlerursachen kurzfristig beseitigt werden können. Schließlich trägt der heiße Körper über seine Temperatur zusätzliche Informationen zu prozessrelevanten Parametern. Die Heißendprüfung dient somit nicht nur zur Qualitätssortierung, sondern gleichzeitig zur Qualitätsproduktion. Heiße Verhältnisse Die Kontrolle am heißen Ende der Behälterglasproduktion hat jedoch mit extremen Bedingungen zu kämpfen: Die Behälter können auf dem Weg ihres Transportes von der Ma- Bild 2: Mit drei Kameras wird gleichzeitig die (Kümmerling-) Flasche von drei Seiten aufgenommen. Bild 3: Heiße Injektionsflasche in der Fertigung. (Aufnahmen 2 und 3: OTTO GmbH). Bei der Herstellung werden Flaschen mit Fehlern vollautomatisch aussortiert, bisher jedoch erst am Ende des Produktionsprozesses vor ihrer Verpackung und somit lange nach der Entstehung des Defektes selbst. Hohe Verluste sind die Folge, denn in dieser Zeit kommen mehrere Flaschen vom Band. Jetzt können mit einem von der Firma OTTO GmbH, Jena, entwickelten Heißendprüfgerät die noch glühenden Glasbehälter unmittelbar nach ihrer Produktion kontrolliert werden. Herzstück dieser Messtechnik sind telezentrische Objektive von Carl Zeiss Innovation 10, Carl Zeiss, 2001

17 Von Anwendern für Anwender schine in die Kühlbahn keinem Handling unterzogen, das heißt, weder speziell für die Messung ausgerichtet noch gedreht werden. Weiterhin ist der frei verfügbare Platz für ein Messgerät technisch bedingt äußerst gering. Und schließlich: Die hohen Temperaturen der Flaschen und der Umgebung stellen für jegliche Messtechnik extreme Anforderungen dar. Aus diesen Gründen entwickelte die OTTO GmbH ein berührungsloses optisches Kontrollverfahren auf der Basis der digitalen Bildverarbeitung. CCD-Matrixkameras mit telezentrischen Objektiven erzeugen zweidimensionale Abbilder vom Prüfobjekt, denen die Bildverarbeitungssoftware maßliche Informationen entnimmt und mit vorgegebenen Sollwerten und Toleranzbereichen vergleicht.die glühenden Behälter mit Körpertemperaturen bis 500 C passieren die Objektive in einem Abstand von 180 mm bis 250 mm! Zum Schutz vor dieser extremen Hitze werden die Objektive mit speziell beschichteten Gläsern abgedeckt. 4a 4b Unverfälscht berührungslos Die aus der Maschine kommenden Behälter haben unterschiedliche Abstände und Ausrichtungen zu den Kameras und Objektiven. Bei herkömmlicher Standardoptik entstehen deshalb systematische Messfehler, die zu falscher Sortierung führen können. Die OTTO GmbH löste dieses Problem mit dem Einsatz telezentrischer Messobjektive VISIONMES von Carl Zeiss: Unabhängig vom produktionsbedingten Abstand der Flaschen zu den Objektiven werden diese in stets gleicher und unverfälschter Größe abgebildet. Damit sind Messgenauigkeiten je nach Merkmalstyp von bis zu 0,02 mm erreichbar. Merkmalstypen sind unter anderem die Flaschenhöhe, Durchmesser in verschiedenen Ebenen, der Gewindeaußen- und -kerndurchmesser, die Schiefe der Mündung und viele andere. Theoretisch können mit den Heißendprüfgeräten 900 und mehr Artikel pro Minute erfasst, gemessen, bewertet und sortiert werden. Praktisch produzieren die Maschinen in der Behälterglasindustrie i. a. nicht mehr als 600 Flaschen pro Minute. Dr. Roland Fiedler von der Firma OTTO war maßgeblich an der Entwicklung der Messtechnik beteiligt: Uns sind bisher keine vergleichbaren Applikationen bekannt, die im Heißbereich der Behälterglasproduktion mit qualitativ und quantitativ gleichwertigen Leistungsmerkmalen arbeiten. OTTO GmbH Computer Vision Systems. Mail: r.fiedler@otto-jena.de Net: Bild 5: Telezentrisches Objektiv VISIONMES von Carl Zeiss. Bilder 4a und 4b: Aufnahme von Objekten, die sich in unterschiedlichem Abstand zum Objektiv befinden. Ohne telezentrisches Objektiv (4a): Die Abbildungsmaßstäbe sind unterschiedlich. Mit telezentrischem Objektiv (4b): Die Objekte werden im gleichen Maßstab abgebildet. in short In vielen Bereichen der industriellen Messtechnik, Automatisierungstechnik, Prozesskontrolle und -steuerung sowie im Qualitätsmanagement nimmt der Anteil am optisch berührungslosen Erkennen, Prüfen und Messen komplizierter Strukturen zu. Derartige anspruchsvolle Mess- und Prüfaufgaben wie die beschriebene Applikation und viele andere mehr lassen sich nur mit hochauflösenden CCD-Kamerasystemen und telezentrischen Präzisionsobjektiven realisieren. Die hohen messtechnischen Systemanforderungen werden durch die nahezu verzeichnungsfreientelezentrischen Objektive VISIONMES umgesetzt. Durch die telezentrische Betrachtung und Vermessung relevanter Fertigungsabläufe entfallen für den Anwender kosten- und zeitintensive Justier- und Prüfprozesse, eine höhere Qualität im gesamten Produktionsprozess und damit auch der Erzeugnisse selbst wird erreicht. Telezentrische Komponenten VISIONMES. Mail: petermann@zeiss.de Innovation 10, Carl Zeiss,

18 Für die Praxis Immer genau wissen, wie schnell sich die Erde dreht Schematischer Schnitt durch das Tiefenlabor für den Großringlaser. (Zeichnung: ifag). Sickerschacht Elektroraum Drainageleitung max. Grundwasserhöhe BK 1 Der weltweit größte und genaueste Ringlaser steht seit Oktober 2001 im Bayrischen Wald in Wettzell tief unter der Erde. Gebaut von Carl Zeiss, realisiert von dem Bundesamt für Kartographie und Geodäsie, der Technischen Universität München und der Universität Canterbury Neuseeland, misst der Großringlaser G mit bislang unerreichter Präzision die Erdrotation. Satellitengestützte Navigationssysteme wie GPS (Global Positioning System), die auf globale Referenzsysteme angewiesen sind, arbeiten mit seinen Daten. Auch Erdbebenforscher sind an den Messungen des Großringlasers interessiert. G wie gigantisch kann man sagen, denn der neue Ringlaser von Carl Zeiss ist 4 x 4 Meter groß, wiegt über zehn Tonnen, ist auf einer Granitplatte von zehn Tonnen gelagert, die auf einem elf Meter in die Tiefe ragenden Grundpfeiler liegt und kann Änderungen der Drehgeschwindigkeit der Erde im Bereich von nur 0,1 Millisekunden messen. Diese Genauigkeit ist nötig, wenn man ein sehr präzises globales Referenzsystem schaffen möchte, das selbst die geringsten Schwankungen in der Erdrotation mit einberechnet. Verursacht werden diese Schwankungen durch ständige Masseverlagerungen auf der Erde (z. B. durch Gezeiten, Witterungs- und Mondphasen) Rampe 7 % Schleuse Datenerfassung Schaumglas innerer Brunnenring äußerer und im Erdinneren (Konvektionsströme, Kontinentalverschiebung, Vulkanismus, u. v. m.). Um eine Position auf der Erde exakt zu bestimmen, müssen selbst diese eigentlich geringfügigen Schwankungen mit verrechnet werden. Ein kleines Beispiel: Ein Punkt am Äquator legt aufgrund der Erddrehung innerhalb von 24 Stunden eine Strecke von etwa km zurück, das heißt, in einer Sekunde eine Strecke von über 460 Metern. Will man nun einen Punkt zentimetergenau bestimmen, wie von neuen Global Positioning Systemen verlangt, muss man die Drehgeschwindigkeit auf 20 Millionstel Sekunden genau beschreiben können; eine Genauigkeitsanforderung, bei der sich bereits geringfügige Variationen der Erdrotation über den Tag bemerkbar machen. Bei einer derart hohen Messgenauigkeit sind die Kriterien an die Messapparatur und deren Umgebung besonders streng. Das Messergebnis muss unbeeinflusst sein. So darf sich auch die Geometrie des Ringlasers selbst nicht in irgendeiner Form verändern, indem sich beispielsweise das Material ausdehnt oder zusammenzieht. Schon Veränderungen von einem Millionstel Millimeter haben Einfluss auf die Messergebnisse. Daher ist das Kernstück des Ringlasers eine zehn Tonnen schwere Scheibe aus der Glaskeramik Zerodur, die Schott Glas in Mainz angefertigt Tagwasserdichtung Operationstank Monument Pfeiler Bohrpfahlring Aufschüttung ehemalige Geländeoberfläche max. Grundwasserhöhe BK 6 Ton Styrodur Verwitterungszone massiver Fels hat. Zerodur hat eine Quasi-Nullausdehnung, die rund 600-mal niedriger als bei Stahl und rund 400-mal niedriger als bei optischem Glas ist. Aber auch Temperatur und Luftdruck beeinflussen die Messungen: Selbst Schwankungen von mehr als einem Tausendstel Grad Celsius oder mehr als 0,1 hpa sind ausschlaggebend. Um die witterungsbedingten atmosphärischen Druckschwankungen auf 0,1 hpa zu minimieren, bauten die Entwickler um den gesamten Ringlaser einen Stahltank, dessen Innendruck dank Regelsystem konstant bei mbar liegt. Um die Temperatur konstant zu halten, isolierten sie den Laborraum selbst mit seinen Betonwänden einschließlich Decke mit einer einen halben Meter dicken Thermalschicht aus Styrodur, einem Meter feuchten Ton und wieder einem halben Meter Styrodur. Zusätzlich wurde das ganze Untergrundlabor mit einer vier Meter dicken Erdschicht abgedeckt. 18 Innovation 10, Carl Zeiss, 2001

19 Für die Praxis Das Messprinzip: Frequenzunterschiede zwischen zwei gegenläufig umlaufenden Laserstrahlen Vier hochreflektive Spiegel bilden einen geschlossenen Strahlengang, der in einer so genannten Resonatorröhre verläuft und eine quadratische Fläche umschließt (Ringlaser). Die Resonatorröhre ist mit dem Edelgasgemisch Helium/Neon gefüllt. Gezündet wird der Laser bzw. das Gasgemisch mittels einer Hochfrequenz- Spannung, die im Radiowellenbereich liegt. Es bildet sich ein roter Laserstrahl, der da keiner der beiden Richtungen Vorzug gegeben wird sich in beide mögliche Umlaufrichtungen der ringförmigen Resonatorröhre ausbreitet. Befände sich das Gerät in Ruhe, wäre die Frequenz des rechts wie links umlaufenden Strahles identisch. Aufgrund der Erdrotation durchlaufen die beiden Laserwellen jedoch unterschiedlich lange Wege. Es entsteht eine Wegdifferenz, die in Frequenzen gemessen wird (Sagnac- Effekt). Die Sagnac-Frequenz ist der Erdrotation direkt proportional, das heißt, verändert sich die Erdrotation, so ändert sich auch die Wegdifferenz und somit die Sagnac-Frequenz. Mit dem Großringlaser lassen sich bezogen auf einen Tag Frequenzschwankungen von 10-9 Hertz messen. Dr. Ulrich Schreiber, TU München, Forschungseinrichtung Satellitengeodäsie. Mail: Dr.-Ing. Wolfgang Schlüter, Bundesamt für Kartographie und Geodäsie, Fundamentalstation Wettzell. Mail: Net: Hieronymus Weber, Carl Zeiss, Projektleiter. Mail: Bild 2: Zehn Tonnen Glaskeramik Zerodur als Träger für den Ringlaser hängen am Hebezeug eines Spezialkrans auf dem Weg ins Tiefenlabor. Im Hintergrund das Radioteleskop der Fundamentalstation Wettzell, das Satellitensignale aus dem Weltall für die Erd- und Landvermessung empfängt. Bild 3: Mit dem Großringlaser können Änderungen der Erddrehgeschwindigkeit sehr genau erfasst werden. Am Gerät der wissenschaftliche Leiter des Ringlaserprojektes Dr. Ulrich Schreiber, Forschungseinrichtung Satellitengeodäsie der Technischen Universität München. Innovation 10, Carl Zeiss,

20 Für die Praxis Messen neben der Maschine Bernd Balle Optimierter Messbereich und erweiterte Zuführmöglichkeiten mit CenterMax. Die Erwartungen an die heutige Fertigungsmesstechnik sind geprägt durch einen werkstattnahen Einsatz und die dort anzutreffenden rauen Umweltbedingungen. Der Trend ist klar: Das Messen wird aus dem Feinmessraum in den Fertigungsprozess verlagert, die Reaktionszeit dadurch erheblich verkürzt. Der Bereich der Fertigungsmesstechnik erstreckt sich von der Überwachung des Prüflings im Feinmessraum bis hin zur statistischen Prozesslenkung. Ist es bis heute noch Aufgabe des Messtechnikers, die Einhaltung der vom Konstrukteur festgelegten und vom Bearbeiter produzierten Form am Koordinatenmessgerät im Messraum zu überprüfen, fordern die Produktionsplaner, diesen Qualitätssicherungsprozess durch direkt in die Fertigung integrierte Messmaschinen zu realisieren. Darüber hinaus zeichnet sich im Qualitätswesen immer stärker ein Trend ab, die Werkstücke nicht nur zu messen und zu prüfen, sondern den Fertigungsprozess in der Serienfertigung zu überwachen, um bei Bedarf rechtzeitig eingreifen zu können. Die Wirtschaftlichkeit ist der Hauptgrund für die Integration einer Messmaschine in die Fertigung. Je geringer die Entfernung der Messtechnik vom Produktionsort ist, desto schneller kann eine Prozesssteuerung erfolgen. Produktionsmittel eingesetzt. Dazu muss ein Koordinatenmessgerät vor allem eines sein resistent gegen Umwelteinflüsse, ähnlich wie ein Bearbeitungszentrum. Man stelle sich folgendes Szenario vor: Es ist heiß, die Maschinen verursachen nicht nur unglaublichen Lärm sondern auch Bodenschwingungen. Teilweise herrschen Temperaturunterschiede bis zu 10 C, Schmier- und Lösungsmittel haften an den Werkstücken. Und genau in diesen widrigen Umgebungsbedingungen muss hochgenau gemessen werden. Das kann CenterMax ein Koordinatenmessgerät, das ohne Klimakabine auskommt. Das neue Produktionsmesszentrum CenterMax basiert auf der bewährten PRISMO Baureihe mit VAST Sensorik. Um den harten Umgebungsbedingungen der Fertigung Stand halten zu können, wurde eine Brückenbauweise konzipiert. Der Grundkörper besteht aus Mineralguss. Dieser Werkstoff eignet sich hervorragend als thermisch und dynamisch dämpfendes Schutzelement. Was beim menschlichen Körper das Skelett darstellt, ist bei CenterMax die TRF-Struktur, ein temperaturstabiler Rahmen, der die Genauigkeit über den Temperaturbereich garantiert. Hochgezogene Führungsbahnen verringern zusätzliche beweg- Genau und robust Neben geeigneter Software sind es vor allem die Koordinatenmessgeräte selbst, an die ständig neue Anforderungen gestellt werden. Carl Zeiss hat bereits 1997 mit ScanMax ein manuelles Messgerät für die Werkerselbstprüfung auf den Markt gebracht. Durch die Integration des Messgerätes mitten in der Fertigung können somit direkt qualitative Aussagen ohne den Umweg in den Messraum getroffen werden. Messmaschinen von Carl Zeiss werden wie ein 20 Innovation 10, Carl Zeiss, 2001