Кристоф Кремер - Christoph Cremer

Кристоф Кремер (рожден в Фрайбург им Брайсгау, Германия ) немец физик и заслуженный [1] на Рупрехт-Карлс-университет Гейдельберга, почетный профессор Университет Майнца[2] и был бывшим лидером группы в Институт молекулярной биологии (IMB) в Университете Йоханнеса Гутенберга Майнц, Германия, который успешно преодолел общепринятый предел разрешения, применимый к исследованиям на основе света ( Предел Аббе ) целым рядом различных методов (1971/1978 - разработка концепции 4Pi-микроскопии; 1996 г. локализация микроскопия СПДМ; 1997 г. пространственно-структурированная подсветка SIM).[3][4]

Его настоящий микроскоп Vertico-SMI - это самый быстрый в мире нано-световой микроскоп, который позволяет проводить крупномасштабные исследования супрамолекулярных комплексов, включая состояние живых клеток. Он позволяет получать трехмерные изображения биологических препаратов, помеченных обычными флуоресцентными красителями, и достигает разрешения 10 нм в 2D и 40 нм в 3D.

Таким образом, этот наноскоп может внести существенный вклад в нынешнюю революцию в области оптических изображений, которая повлияет на всю молекулярную биологию, медицинские и фармацевтические исследования. Технология позволяет разрабатывать новые стратегии профилактики, снижения риска и терапевтического лечения заболеваний.

биография

После нескольких семестров обучения философия и история в Фрайбургский университет и Мюнхенский университет, Кремер учился физика в Мюнхен (при финансовой поддержке Studienstiftung des Deutschen Volkes ) и завершил свой Кандидат наук. в генетика и биофизика во Фрайбурге. За этим последовали постдокторские исследования в Институте генетики человека во Фрайбургском университете, несколько лет в США в Институте генетики. Калифорнийский университет, и его "Абилитация «в общей генетике человека и экспериментальной цитогенетике во Фрайбургском университете. С 1983 года до выхода на пенсию он преподавал в качестве профессора (кафедра с 2004 года) по« прикладной оптике и обработке информации »в Физическом институте Кирхгофа при Гейдельбергском университете. кроме того, он был членом Междисциплинарный центр научных вычислений Кремер был участником трех «Проектов передового опыта» Гейдельбергского университета (2007–2012 гг.), А также был партнером Биотехнологического кластера клеточной и молекулярной медицины, одного из пяти кластеров, выбранных в 2008 году как немецкий. BMBF Кластеры передового опыта. Избранный вторым спикером сената Гейдельбергского университета, Кремер также принимал участие в управлении и политике университета. В качестве адъюнкт-профессора в Университет штата Мэн и как член Лаборатория Джексона (Бар-Харбор, Мэн ), где он проводит исследования в течение нескольких недель каждый год в перерывах между семестрами, он участвовал в создании центра биофизики (Институт молекулярной биофизики), который связан с Гейдельбергским университетом посредством сотрудничества «Глобальная сеть».

Кремер женат на архитектор и художница Летиция Манчино-Кремер.

  • Микроскопия сверхвысокого разрешения

  • Раковые клетки молочной железы: двухцветная микроскопия Her2 и Her3 со сверхвысоким разрешением 3D LIMON и кластерные вычисления

  • SPDMphmyod: обнаружение одной молекулы YFP в раковой клетке человека

  • SPDMphymod Совместная локализационная микроскопия ядра: 120 000 слитых белков GFP и RFP, локализованных в широком поле зрения (470 мкм2)

  • Локализационная микроскопия без этикеток SPDM - микроскопия сверхвысокого разрешения выявляет ранее не определяемые внутриклеточные структуры

  • SMI Исследование ткани глаза человека, пораженного дегенерацией желтого пятна AMD

  • Микроскопия вирусов сверхвысокого разрешения SPDM Cremer / Wege labs

  • fBALM Микроскопия локализации одиночных молекул сверхвысокого разрешения с использованием микроскопии локализации с активированным связыванием с помощью флуктуаций структуры ДНК

Фундаментальные разработки

Развитие концепции 4Pi микроскопии

Кремер был вовлечен в начале дальнейшего развития лазер основан световая микроскопия подходы. Первые идеи возникли в его аспирантские годы 1970-х годов. Совместно с братом Томас Кремер, ныне профессор (кафедра) антропологии и генетики человека в Университете Людвига-Максимилиана в Мюнхене, Кристоф Кремер предложил разработку голограмма лазерное сканирование на базе 4Pi микроскоп. Основная идея заключалась в том, чтобы сфокусировать лазерный свет со всех сторон (пространственный угол 4Pi) в пятно с диаметром, меньшим, чем диаметр обычного лазерного фокуса, и сканировать объект с помощью этого пятна. Таким образом, должно быть возможно достичь улучшенного оптическое разрешение за пределы обычного прибл. 200 нм по горизонтали, 600 нм по оси.[5][6] С 1992 г. 4Pi-микроскопия была разработана компанией Стефан Ад (Институт биофизической химии Макса-Планка, Геттинген) в высокоэффективный процесс визуализации с высоким разрешением с использованием двух микроскопов линзы объектива с высокой числовой апертурой, противостоящих друг другу.[7][8]

Разработка первого метода лазерного и УФ-микрооблучения ДНК живых клеток.

В начале 1970-х братья осознали УФ прибор для лазерного микрооблучения, который впервые позволил облучать контролируемым образом только крошечную часть живая клетка в максимуме поглощения для ДНК (257 нм).[9] Это заменило обычное частичное УФ-облучение, которое практиковалось более 60 лет. Таким образом, впервые стало возможным целенаправленно вызывать изменения в ДНК (то есть в заранее определенных местах ядро клетки живых клеток) без ущерба для способности клеток делиться и выживать. Могут быть облучены определенные участки очень маленьких клеток, и, таким образом, динамика макромолекулы (ДНК) содержится количественно. Кроме того, благодаря высокой скорости процесса при времени облучения в доли секунды стало возможным облучение даже движущихся клеточные органеллы. Эта разработка послужила основой для важных экспериментов в области геном структурное исследование (установление существования так называемых хромосомные территории в жизни млекопитающее клеток) и привел несколько лет спустя (1979/1980) к успешному сотрудничеству с биологом Кристиан Нюсслайн-Фольхард (Институт биологии развития Макса Планка, Тюбинген ). В этом сотрудничестве Кремер использовал свое ультрафиолетовое лазерное оборудование для микрооблучения для выявления клеточных изменений на ранних стадиях. личинка стадии плодовой мушки Drosophila melanogaster.[10][11]

Разработка конфокальной лазерной сканирующей микроскопии для флуоресценции.

На основе опыта, накопленного при создании и применении прибора для ультрафиолетового лазерного микрооблучения, братья Кремер разработали в 1978 году процесс лазерного сканирования, который сканирует по точкам трехмерную поверхность объекта с помощью сфокусированного лазера. луч и создает общую картину электронными средствами, аналогичными тем, которые используются в сканирующих электронных микроскопах.[5] Это план строительства конфокальный лазерный сканирующий микроскоп (CSLM), который впервые объединил метод лазерного сканирования с 3D-обнаружением биологических объектов, помеченных флуоресцентные маркеры благодаря чему Кремер занял профессорское место в Гейдельбергском университете. В течение следующего десятилетия конфокальная флуоресцентная микроскопия была доведена до технически зрелого состояния, в частности, группами, работающими в Амстердамский университет и Европейская лаборатория молекулярной биологии (EMBL) в Гейдельберге и их отраслевых партнеров. В последующие годы эта технология была широко принята биомолекулярными и биомедицинский лабораторий и по сей день остается золотым стандартом в трехмерной световой микроскопии с обычным разрешением.

Развитие методов микроскопии сверхвысокого разрешения

Во многих случаях цель микроскопии - определить размер отдельных небольших объектов. Обычная флуоресцентная микроскопия может установить размеры только примерно равные обычным. оптическое разрешение предел примерно 200 нм (боковой). Более чем через 20 лет после подачи заявки на патент 4 pi,[5][12] Кристоф Кремер вернулся к проблеме дифракционного предела. С Вертико СМИ На микроскопе он мог реализовать свои различные методы сверхвысокого разрешения, включая SMI, SPDM, SPDMphymod и LIMON. Эти методы в основном используются для биомедицинских приложений. [13]

Пространственно-модулированное освещение SMI

Примерно в 1995 году он начал разработку процесса световой микроскопии, который позволил значительно улучшить разрешение по размеру клеток. наноструктуры окрашивают флуоресцентным маркером. На этот раз он применил принцип широкопольной микроскопии в сочетании со структурированным лазерным освещением (пространственно-модулированное освещение, СМИ).[14][15][16] В настоящее время достигается разрешение по размеру 30-40 нм (приблизительно 1/16 - 1/13 используемой длины волны). Кроме того, эта технология больше не подвержена ограничениям скорости фокусирующей микроскопии, так что становится возможным проводить трехмерный анализ целых клеток в короткие сроки наблюдения (в настоящий момент около нескольких секунд). Устранение неоднозначности SMI: S = пространственно, M = модулированное, I = освещение.[17]

Локализационная микроскопия SPDM

Также примерно в 1995 году Кремер разработал и реализовал новые подходы к широкопольной микроскопии, основанные на флуоресценции, целью которых было улучшение эффективного оптического разрешения (с точки зрения наименьшего обнаруживаемого расстояния между двумя локализованными объектами) до доли обычного разрешения (спектральное разрешение). прецизионная микроскопия с определением расстояния / положения, SPDM; SPDM для устранения неоднозначности: S = спектральный, P = прецизионный, D = расстояние, M = микроскопия).[18][19][20]

Локализационная микроскопия SPDMphymod

С помощью этого метода можно использовать обычные, хорошо зарекомендовавшие себя и недорогие флуоресцентные красители, такие как GFP, RFP, YFP, Alexa 488, Alexa 568, Alexa 647, Cy2, Cy3, Atto 488 и флуоресцеин.[21][22] в отличие от других технологий локализационной микроскопии, которые требуют двух длин волн лазера, когда используются специальные фотопереключаемые / фотоактивируемые флуоресцентные молекулы. Еще одним примером использования SPDMphymod является анализ Вирус табачной мозаики (TMV) частицы.[23][24] или вирус-клеточное взаимодействие.[25][26]

Устранение неоднозначности SPDMphymod: S = Спектральный, P = Точность, D = Расстояние, M = Микроскопия, phy = физически, mod = изменяемый

3D световая микроскопия наноразмерная (LIMON) микроскопия

Сочетание SPDM и SMI, известное как микроскопия LIMON.[22] Кристоф Кремер в настоящее время может достичь разрешения прибл. 10 нм в 2D и 40 нм в 3D на широкоугольных изображениях целых живых клеток.[27] В настоящее время широкоугольные трехмерные «наноизображения» целых живых клеток все еще занимают около двух минут, но в настоящее время ведутся работы по их дальнейшему уменьшению. Vertico-SMI в настоящее время является самым быстрым оптическим 3D-наноскопом для трехмерного структурного анализа целых клеток во всем мире. [16] В качестве биологического приложения в 3D двухцветном режиме было достигнуто пространственное расположение кластеров Her2 / neu и Her3. Положения во всех трех направлениях кластеров белка можно было определить с точностью около 25 нм.[28]

Рекомендации

  1. ^ "Fakultät für Physik und Astronomie".
  2. ^ [1] Почетный профессор Кристофа Кремера из IMB
  3. ^ http://www.kip.uni-heidelberg.de/AG_Cremer/de
  4. ^ https://www.imb.de/research-at-imb/cremer/research/
  5. ^ а б c К. Кремер и Т. Кремер (1978): Соображения по поводу лазерного сканирующего микроскопа с высоким разрешением и глубиной резкости Microscopica Acta VOL. 81 НОМЕР 1 сентября, стр. 31–44 (1978)
  6. ^ Cremer, T .; Кремер, К. (2006). «Взлет, падение и воскрешение хромосомных территорий: историческая перспектива. Часть II. Падение и воскрешение CT в период с 1950-х по 1980-е. Часть III. Хромосомные территории и функциональная ядерная архитектура: эксперименты и модели с 1990-х по настоящее время». . Европейский журнал гистохимии. 50: 223–272.
  7. ^ Ад, S .; Lindek, S .; Cremer, C .; Стельцер, Э. Х. К. (1994). «Измерение функции рассеяния конфокальной точки 4pi доказывает осевое разрешение 75 нм». Письма по прикладной физике. 64 (11): 1335–1337. Bibcode:1994АпФЛ..64.1335Н. Дои:10.1063/1.111926.
  8. ^ Hänninen, P.E .; Ад, S.W .; Сало, Дж .; Soini, E .; Кремер, К. (1995). «Конфокальный микроскоп с двухфотонным возбуждением 4Pi - микроскоп с улучшенным осевым разрешением для биологических исследований». Письма по прикладной физике. 68 (13): 1698–1700. Bibcode:1995ApPhL..66.1698H. Дои:10.1063/1.113897.
  9. ^ Cremer, C .; Кремер Т. (1974). "Ультрафиолетовый лазерный микропучок для 257 нм / Eine Laser-UV-Mikrobestrahlungsapparatur für 257 нм". Microscopica Acta. 75 (4): 331–337.
  10. ^ Lohs-Schardin, M .; Cremer, C .; Нюсслейн-Фольхард, К. (1979). "Карта судьбы эпидермиса личинок Drosophila melanogaster: локализованные дефекты кутикулы после облучения бластодермы ультрафиолетовым лазерным микропучком". Биология развития. 73 (2): 239–255. Дои:10.1016/0012-1606(79)90065-4. PMID  115734.
  11. ^ Nüsslein-Volhard, C .; Lohs-Schardin, M .; Кремер, К. (1980). «Дорсо-вентральный сдвиг эмбриональных зачатков у нового мутанта Drosophila с материнским эффектом». Природа. 283 (5746): 474–476. Bibcode:1980Натура.283..474Н. Дои:10.1038 / 283474a0. PMID  6766208.
  12. ^ Cremer C, Cremer T (1971) Пунктограмма: Physikalische Grundlagen und Mögliche Anwendungen. Приложение к заявке на патент DE 2116521 «Verfahren zur Darstellung bzw. Modifikation von Objekt-Details, deren Abmessungen außerhalb der sichtbaren Wellenlängen liegen» (Процедура визуализации и модификации деталей объекта с размерами, превышающими видимые длины волн). Подана 5 апреля 1971 г .; дата публикации 12 октября 1972 г., Deutsches Patentamt, Берлин. http://depatisnet.dpma.de/DepatisNet/depatisnet?action=pdf&docid=DE000002116521A
  13. ^ «Биомедицинские приложения для микроскопии сверхвысокого разрешения». Архивировано из оригинал 13 октября 2016 г.. Получено 13 октября 2016.
  14. ^ Heintzmann, R .; Кремер, К. (1999). «Микроскопия с боковым модулированным возбуждением: Улучшение разрешения за счет дифракционной решетки". Proc. SPIE. 3568: 185–196.
  15. ^ Патент США 7 342 717, поданный 10 июля 1997 г .: Кристоф Кремер, Майкл Хаусманн, Иоахим Брадл, Бернхард Шнайдер. Микроскоп волнового поля с функцией распределения точки обнаружения
  16. ^ а б Baddeley, D .; Batram, C .; Weiland, Y .; Cremer, C .; Бирк, У. (2007). «Анализ наноструктуры с использованием микроскопии с пространственно-модулированным освещением». Протоколы природы. 2 (10): 2640–2646. Дои:10.1038 / nprot.2007.399. PMID  17948007.
  17. ^ Best, G; Amberger, R; Баддели, Д.; Ах, Т; Дитмар, S; Heintzmann, R; Кремер, С. (2011). «Структурированная световая микроскопия автофлуоресцентных скоплений в тканях человека». Микрон. 42 (4): 330–335. Дои:10.1016 / j.micron.2010.06.016. PMID  20926302.
  18. ^ Bradl, J .; Ринке, Б .; Esa, A .; Edelmann, P .; Krieger, H .; Schneider, B .; Hausmann, M .; Кремер, К. (1996). «Сравнительное исследование точности трехмерной локализации в традиционной, конфокальной лазерной сканирующей и аксиалтомографической флуоресцентной световой микроскопии». Proc. SPIE. 2926: 201–206.
  19. ^ Патент США 6,424,421, поданный 23 декабря 1996 г .: Кристоф Кремер, Майкл Хаусманн, Иоахим Брэдл, Бернд Ринке. Способ и устройства для измерения расстояний между конструкциями объекта
  20. ^ Heintzmann, R .; Münch, H .; Кремер, К. (1997). «Высокоточные измерения в эпифлуоресцентной микроскопии - моделирование и эксперимент». Cell Vision. 4: 252–253.
  21. ^ Мануэль Гункель, Фабиан Эрдель, Карстен Риппе, Пауль Леммер, Райнер Кауфманн, Кристоф Хёрманн, Роман Амбергер и Кристоф Кремер: Двухцветная локализационная микроскопия клеточных наноструктур. В: Биотехнологический журнал, 2009, 4, 927-938. ISSN 1860-6768
  22. ^ а б Рейманн, Дж; Баддели, Д.; Гункель, М; Lemmer, P; Стадтер, Вт; Jegou, T; Риппе, К; Cremer, C; Бирк, У (май 2008 г.). «Высокоточный структурный анализ субядерных комплексов в фиксированных и живых клетках с помощью микроскопии с пространственно-модулированным освещением (SMI)». Хромосомные исследования: международный журнал по молекулярным, супрамолекулярным и эволюционным аспектам хромосомной биологии. 16 (3): 367–82. Дои:10.1007 / s10577-008-1238-2. PMID  18461478.
  23. ^ Кремер, Р. Кауфманн, М. Гункель, С. Пре, Й. Вейланд, П.-Мюллер, Т. Рукельсхаузен, П. Леммер, Ф. Гейгер, С. Дегенхард, К. Веге, Н. А. Леммерманн, Р. Хольтаппельс , Х. Стрикфаден, М. Хаусманн (2011): Получение изображений биологических наноструктур сверхвысокого разрешения с помощью прецизионной спектральной дистанционной микроскопии: Биотехнология 6: 1037–1051
  24. ^ Мануэль Гункель, Фабиан Эрдель, Карстен Риппе, Пауль Леммер, Райнер Кауфманн, Кристоф Хёрманн, Роман Амбергер и Кристоф Кремер (2009): Двухцветная локализационная микроскопия клеточных наноструктур. В: Журнал биотехнологии, 2009, 4, 927-938. ISSN 1860-6768
  25. ^ К. Кремер, Р. Кауфманн, М. Гункель, Ф. Полански, П. Мюллер, Р. Диркес, С. Дегенхард, К. Веге, М. Хаусманн, У. Бирк: «Перспективы применения локализационной микроскопии в вирусологии», Histochem Cell Biol (2014)
  26. ^ Цяоюнь Ван, Рюдигер Диркес, Райнер Кауфманна, Кристоф Кремер: «Количественный анализ отдельных кластеров рецепторов фактора роста гепатоцитов в эпителиальных клетках человека, инфицированных вирусом гриппа А, с использованием микроскопии локализации» Biochimica et Biophysica Acta (2014)
  27. ^ П. Леммер, М. Гункель, Д. Баддели, Р. Кауфманн, А. Урих, Ю. Вейланд, Дж. Рейманн, П. Мюллер, М. Хаусманн, К. Кремер (2008): SPDM - световая микроскопия с одиночной молекулой Разрешение в наномасштабе: дюйм Прикладная физика B, Том 93, стр. 1-12
  28. ^ Кауфманн, Райнер; Мюллер, Патрик; Хильденбранд, Георг; Хаусманн, Майкл; Кремер, Кристоф (2010). «Анализ кластеров мембранного белка Her2 / neu в различных типах клеток рака груди с использованием микроскопии локализации». Журнал микроскопии. 242 (1): 46–54. Дои:10.1111 / j.1365-2818.2010.03436.x. PMID  21118230.

внешняя ссылка