stringtranslate.com

Кристоф Кремер

Кристоф Кремер (родился во Фрайбурге - им-Брайсгау, Германия ) — немецкий физик и почётный профессор [1] Гейдельбергского университета имени Рупрехта и Карла , бывший почётный профессор Майнцского университета [2] [3] и бывший руководитель группы в Институте молекулярной биологии (ИМБ) Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга , Германия , [4], который успешно преодолел общепринятый предел разрешения, применимый к исследованиям на основе света ( предел Аббе ), с помощью ряда различных методов (1971/1978 разработка концепции 4Pi-микроскопии; 1996 локализационная микроскопия SPDM; 1997 пространственно-структурированное освещение SIM (впервые разработанное в 1995 году Джоном М. Геррой в Polaroid Corp.) [5] ). [6] [7] В то же время, согласно его собственному заявлению, Кристоф Кремер является членом Института химии Общества Макса Планка (Институт Отто Гана) и Института исследований полимеров Общества Макса Планка . [8] [9] [10]

Его настоящий микроскоп Vertico-SMI — самый быстрый в мире наносветовой микроскоп, позволяющий проводить крупномасштабные исследования надмолекулярных комплексов, включая условия 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 имеет потенциал существенного добавления к текущей революции в оптической визуализации, которая повлияет на всю молекулярную биологию, медицинские и фармацевтические исследования. Технология позволяет разрабатывать новые стратегии для профилактики, снижения риска и терапевтического лечения заболеваний.

Биография

После нескольких семестров изучения философии и истории в Университете Фрайбурга и Мюнхенском университете , Кремер изучал физику в Мюнхене (при финансовой поддержке Studienstiftung des Deutschen Volkes ) и получил докторскую степень по генетике и биофизике во Фрайбурге. Затем последовали постдокторские исследования в Институте генетики человека в Университете Фрайбурга, несколько лет в США в Калифорнийском университете и его « хабилитация » по общей генетике человека и экспериментальной цитогенетике в Университете Фрайбурга. С 1983 года и до выхода на пенсию он преподавал в качестве профессора (с 2004 года — заведующий кафедрой) по «прикладной оптике и обработке информации» в Физическом институте Кирхгофа в Гейдельбергском университете. Кроме того, он был членом Междисциплинарного центра научных вычислений. Кремер был участником трех «Проектов передового опыта» Гейдельбергского университета (2007–2012 гг.), а также был партнером в Биотехнологическом кластере клеточной и молекулярной медицины, одном из пяти кластеров, выбранных в 2008 году в качестве немецких кластеров передового опыта BMBF . Избранный вторым спикером Сената Гейдельбергского университета, Кремер также участвовал в управлении университетом и политике. В своей функции адъюнкт-профессора в Университете штата Мэн и в качестве члена Лаборатории Джексона ( Бар-Харбор, штат Мэн ), где он проводит исследования в течение нескольких недель каждый год во время семестровых каникул, он участвовал в создании центра биофизики (Институт молекулярной биофизики), который связан с Гейдельбергским университетом через сотрудничество «Глобальной сети».

Кремер женат на архитекторе и художнице Летиции Манчино-Кремер.

Фундаментальные разработки

Разработка концепции 4Pi микроскопии

Кремер был вовлечен в раннюю разработку подходов лазерной световой микроскопии . Первые идеи зародились в его аспирантские годы в 1970-х годах. Совместно со своим братом Томасом Кремером , ныне профессором (кафедрой) антропологии и генетики человека в Университете Людвига-Максимилиана в Мюнхене , Кристоф Кремер предложил разработать лазерный сканирующий микроскоп 4Pi на основе голограммы . Основная идея заключалась в том, чтобы сфокусировать лазерный свет со всех сторон (пространственный угол 4Pi) в пятно с диаметром, меньшим, чем обычный фокус лазера, и сканировать объект с помощью этого пятна. Таким образом, должно быть возможно достичь улучшенного оптического разрешения за пределами обычного предела приблизительно 200 нм по бокам, 600 нм по оси. [11] [12] Однако публикация 1978 года [13] сделала неправильный физический вывод (т. е. точечное пятно света) и полностью упустила из виду увеличение осевого разрешения как фактическое преимущество добавления другой стороны телесного угла. [14] С 1992 года Стефан Хелл (Институт биофизической химии Макса Планка, Геттинген) разработал микроскопию 4Pi, превратив ее в высокоэффективный процесс получения изображений с высоким разрешением, используя два объектива микроскопа с высокой числовой апертурой, расположенных друг напротив друга. [15] [16]

Разработка первой методики лазерно-УФ-микрооблучения ДНК живых клеток

В начале 1970-х годов братья создали прибор для микрооблучения УФ- лазером, который впервые позволил контролируемо облучать только крошечную часть живой клетки при максимуме поглощения ДНК (257 нм). [17] Это заменило традиционное частичное УФ-облучение, практиковавшееся более 60 лет. Таким образом, впервые стало возможным вызывать изменения в ДНК целенаправленно (т. е. в заранее определенных местах в ядре живой клетки), не ставя под угрозу способность клеток делиться и выживать. Можно было облучать определенные очень маленькие области клетки и, таким образом, количественно оценивать динамику макромолекул (ДНК), содержащихся там. Кроме того, благодаря высокой скорости процесса с использованием времени облучения в доли секунды стало возможным облучать даже движущиеся клеточные органеллы . Это развитие послужило основой для важных экспериментов в области исследования структуры генома (установление существования так называемых хромосомных территорий в живых клетках млекопитающих ) и привело несколько лет спустя (1979/1980) к успешному сотрудничеству с биологом Кристианой Нюсляйн-Фольхард ( Институт биологии развития Макса Планка , Тюбинген ). В этом сотрудничестве Кремер использовал свое оборудование для микрооблучения УФ-лазером, чтобы вызвать клеточные изменения на ранних личиночных стадиях развития плодовой мушки Drosophila melanogaster . [18] [19]

Разработка конфокальной лазерной сканирующей микроскопии для флуоресценции

На основе опыта, полученного в ходе создания и применения прибора для микрооблучения УФ-лазером, братья Кремер в 1978 году разработали процесс лазерного сканирования, который сканирует по точкам трехмерную поверхность объекта с помощью сфокусированного лазерного луча и создает общую картину с помощью электронных средств, аналогичных тем, которые используются в сканирующих электронных микроскопах. [11] Именно этот план создания конфокального лазерного сканирующего микроскопа (CSLM), который впервые объединил метод лазерного сканирования с трехмерным обнаружением биологических объектов, помеченных флуоресцентными маркерами , принес Кремеру профессорскую должность в Гейдельбергском университете. В течение следующего десятилетия конфокальная флуоресцентная микроскопия была развита до технически полностью зрелого состояния, в частности, группами, работающими в Амстердамском университете и Европейской молекулярно-биологической лаборатории (EMBL) в Гейдельберге, а также их отраслевыми партнерами. В последующие годы эта технология получила широкое распространение в биомолекулярных и биомедицинских лабораториях и по сей день остается золотым стандартом в области трехмерной световой микроскопии с обычным разрешением.

Развитие методов микроскопии сверхвысокого разрешения

Целью микроскопии во многих случаях является определение размера отдельных мелких объектов. Обычная флуоресцентная микроскопия может устанавливать размеры только около обычного предела оптического разрешения около 200 нм (латерально). Более чем через 20 лет после подачи заявки на патент 4 пи [11] [20] Кристоф Кремер вернулся к проблеме дифракционного предела. С микроскопом Vertico SMI он смог реализовать свои различные методы сверхвысокого разрешения, включая SMI, SPDM, SPDMphymod и LIMON. Эти методы в основном используются для биомедицинских приложений [21]

Пространственно-модулированное освещение SMI

Около 1995 года он начал с разработки светового микроскопического процесса, который достиг существенно улучшенного разрешения по размеру клеточных наноструктур, окрашенных флуоресцентным маркером. На этот раз он использовал принцип широкопольной микроскопии в сочетании со структурированным лазерным освещением (пространственно модулированное освещение, SMI) [22] [23] [24] 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 по скорости фокусирующей микроскопии, так что становится возможным проводить 3D-анализ целых клеток за короткое время наблюдения (в настоящее время около нескольких секунд). Разрешение SMI: S = пространственно, M = модулированное I = освещение. [25]

Локализация Микроскопия SPDM

Также около 1995 года Кремер разработал и реализовал новые подходы широкопольной микроскопии на основе флуоресценции, целью которых было улучшение эффективного оптического разрешения (в терминах наименьшего обнаруживаемого расстояния между двумя локализованными объектами) до доли обычного разрешения (спектральная прецизионная микроскопия определения расстояния/положения, SPDM; Разрешение неоднозначности SPDM: S = спектральный, P = точность, D = расстояние, M = микроскопия). [26] [27] [28]

Локализация Микроскопия SPDMphymod

С помощью этого метода можно использовать обычные, хорошо известные и недорогие флуоресцентные красители, стандартные, такие как GFP, RFP, YFP, Alexa 488, Alexa 568, Alexa 647, Cy2, Cy3, Atto 488 и флуоресцеин. [29] [30] в отличие от других технологий локализационной микроскопии, которым требуются две длины волны лазера, когда используются специальные фотопереключаемые/фотоактивируемые флуоресцентные молекулы. Еще одним примером использования SPDMphymod является анализ частиц вируса табачной мозаики (TMV). [31] [32] или взаимодействия вируса и клетки. [33] [34]

Устранение неоднозначности SPDMphymod: S = спектральный, P = точность, D = расстояние, M = микроскопия, phy = физически, mod = модифицируемый

3D-световая микроскопическая наноразмерная микроскопия (LIMON)

Объединение SPDM и SMI, известное как микроскопия LIMON. [30] Кристоф Кремер в настоящее время может достичь разрешения приблизительно 10 нм в 2D и 40 нм в 3D в широкоугольных изображениях целых живых клеток. [35] Широкоугольные 3D «наноизображения» целых живых клеток в настоящее время все еще занимают около двух минут, но в настоящее время ведутся работы по дальнейшему сокращению этого времени. Vertico-SMI в настоящее время является самым быстрым оптическим 3D-наноскопом для трехмерного структурного анализа целых клеток во всем мире. [24] В качестве биологического приложения в 3D-режиме двойного цвета было достигнуто пространственное расположение кластеров Her2/neu и Her3. Положения во всех трех направлениях белковых кластеров могут быть определены с точностью около 25 нм. [36]

Ссылки

  1. ^ "Отделение физики и астрономии". www.physik.uni-heidelberg.de . Получено 22 декабря 2021 г. .
  2. ^ [1] Почетное звание профессора для Кристофа Кремера из IMB
  3. ^ Преподаватели физического факультета Университета Иоганна Гутенберга в Майнце https://www.iph.uni-mainz.de/lehrende/
  4. ^ Optics IMB Mainz, Лаборатория Кремера https://www.optics.imb-mainz.de/
  5. ^ Гуэрра, Джон М. (26 июня 1995 г.). «Сверхразрешение посредством освещения дифракционными затухающими волнами». Applied Physics Letters . 66 (26): 3555–3557. doi :10.1063/1.113814. ISSN  0003-6951.
  6. ^ "Световая микроскопия сверхвысокого разрешения | Проф. Кристоф Кремер | Световая оптическая наноскопия с помощью локализационной микроскопии и структурированного освещения". Архивировано из оригинала 6 февраля 2020 г. Получено 1 октября 2020 г.
  7. ^ https://www.imb.de/research-at-imb/cremer/research/ [ мертвая ссылка ]
  8. ^ Д-р Кристоф Кремер | Институт исследований полимеров Общества Макса Планка, Германия | STEM | COP Апрель 2021 г. https://www.youtube.com/watch?v=L0EMIQzyIAE
  9. ^ ORCHID Connecting Research & Researches, биография Кристофа Кремера https://orcid.org/0000-0002-2090-6905
  10. ^ События Королевского общества микроскопии 2021 года https://www.rms.org.uk/rms-event-calendar/2021-events/imaging-oneworld-spatially-modulated-illumination.html
  11. ^ abc C. Cremer и T. Cremer (1978): Соображения по поводу лазерного сканирующего микроскопа с высоким разрешением и глубиной резкости Microscopica Acta ТОМ 81 НОМЕР 1 Сентябрь, стр. 31—44 (1978)
  12. ^ Кремер, Т.; 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 годы. Часть III. Хромосомные территории и функциональная ядерная архитектура: эксперименты и модели с 1990-х годов по настоящее время. В». Европейский журнал гистохимии . 50 : 223–272.
  13. ^ C. Cremer и T. Cremer (1978): Соображения по поводу лазерного сканирующего микроскопа с высоким разрешением и глубиной резкости Microscopica Acta ТОМ 81 НОМЕР 1 Сентябрь, стр. 31—44 (1978)
  14. ^ Нобелевская премия по химии 2014 года https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2014/hell/biographical/
  15. ^ Hell, S.; Lindek, S.; Cremer, C.; Stelzer, EHK (1994). «Измерение функции рассеяния точки 4pi-confocal доказывает аксиальное разрешение 75 нм». Applied Physics Letters . 64 (11): 1335–1337. Bibcode :1994ApPhL..64.1335H. doi :10.1063/1.111926.
  16. ^ Ханнинен, PE; Хелл, SW; Сало, J.; Сойни, E.; Кремер, C. (1995). «Конфокальный микроскоп с двухфотонным возбуждением 4Pi — микроскоп с улучшенным аксиальным разрешением для биологических исследований». Applied Physics Letters . 68 (13): 1698–1700. Bibcode : 1995ApPhL..66.1698H. doi : 10.1063/1.113897.
  17. ^ Кремер, К.; Кремер, Т. (1974). «Ультрафиолетовый лазерный микролуч для 257 нм / Eine Laser-UV-Mikrobestrahlungsapparatur für 257 нм». Микроскопика Акта . 75 (4): 331–337.
  18. ^ Лос-Шардин, М.; Кремер, К.; Нюсляйн-Фольхард, К. (1979). «Карта судьбы личиночного эпидермиса Drosophila melanogaster: локализованные дефекты кутикулы после облучения бластодермы ультрафиолетовым лазерным микролучом». Developmental Biology . 73 (2): 239–255. doi :10.1016/0012-1606(79)90065-4. PMID  115734.
  19. ^ Nüsslein-Volhard, C.; Lohs-Schardin, M.; Cremer, C. (1980). «Дорсовентральный сдвиг эмбриональных зачатков у нового мутанта Drosophila с материнским эффектом». Nature . 283 (5746): 474–476. Bibcode :1980Natur.283..474N. doi :10.1038/283474a0. PMID  6766208. S2CID  4320963.
  20. ^ Кремер С, Кремер Т (1971) Punkthologramme: 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 Wellenlängenliegen» (Процедура визуализации и модификации деталей объекта, размеры которых выходят за пределы видимых длин волн). Подано 5 апреля 1971 г.; дата публикации 12 октября 1972 г. Deutsches Patentamt, Берлин. http://depatisnet.dpma.de/DepatisNet/depatisnet?action=pdf&docid=DE000002116521A
  21. ^ "Биомедицинские приложения для микроскопии сверхвысокого разрешения". Архивировано из оригинала 13 октября 2016 г. Получено 13 октября 2016 г.
  22. ^ Хайнцманн, Р.; Кремер, К. (1999). «Микроскопия с латеральным модулированным возбуждением: улучшение разрешения с помощью дифракционной решетки ». Proc. SPIE . 3568 : 185–196. Bibcode : 1999SPIE.3568..185H. doi : 10.1117/12.336833. S2CID  128763403.
  23. ↑ Патент США 7,342,717, поданный 10 июля 1997 г.: Кристоф Кремер, Михаэль Хаусманн, Иоахим Брадл, Бернхард Шнайдер Микроскоп волнового поля с функцией рассеяния точки обнаружения
  24. ^ ab Baddeley, D.; Batram, C.; Weiland, Y.; Cremer, C.; Birk, UJ (2007). «Анализ наноструктур с использованием микроскопии пространственно-модулированного освещения». Nature Protocols . 2 (10): 2640–2646. doi :10.1038/nprot.2007.399. PMID  17948007. S2CID  22042676.
  25. ^ Best, G; Amberger, R; Baddeley, D; Ach, T; Dithmar, S; Heintzmann, R; Cremer, C (2011). «Микроскопия структурированного освещения автофлуоресцентных агрегаций в тканях человека». Micron . 42 (4): 330–335. doi :10.1016/j.micron.2010.06.016. PMID  20926302.
  26. ^ Bradl, J.; Rinke, B.; Esa, A.; Edelmann, P.; Krieger, H.; Schneider, B.; Hausmann, M.; Cremer, C. (1996). Bigio, Irving J; Grundfest, Warren S; Schneckenburger, Herbert; Svanberg, Katarina; Viallet, Pierre M (ред.). "Сравнительное исследование точности трехмерной локализации в обычной, конфокальной лазерной сканирующей и аксиальной томографической флуоресцентной световой микроскопии". Proc. SPIE . Оптические биопсии и микроскопические методы. 2926 : 201–206. Bibcode : 1996SPIE.2926..201B. doi : 10.1117/12.260797. S2CID  55468495.
  27. ↑ Патент США 6,424,421, подан 23 декабря 1996 г.: Кристоф Кремер, Михаэль Хаусманн, Иоахим Брадл, Бернд Ринке Метод и устройства для измерения расстояний между структурами объектов
  28. ^ Хайнцманн, Р.; Мюнх, Х.; Кремер, К. (1997). «Высокоточные измерения в эпифлуоресцентной микроскопии — моделирование и эксперимент». Cell Vision . 4 : 252–253.
  29. ^ 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
  30. ^ ab Reymann, J; Baddeley, D; Gunkel, M; Lemmer, P; Stadter, W; Jegou, T; Rippe, K; Cremer, C; Birk, U (май 2008 г.). «Высокоточный структурный анализ субъядерных комплексов в фиксированных и живых клетках с помощью микроскопии с пространственно-модулированным освещением (SMI)». Chromosome Research . 16 (3): 367–82. doi : 10.1007/s10577-008-1238-2 . PMID  18461478.
  31. ^ Кремер, Р. Кауфманн, М. Гункель, С. Прес, Й. Вейланд, П. Мюллер, Т. Рукельсхаузен, П. Леммер, Ф. Гейгер, С. Дегенхард, К. Веге, Н. А. В. Леммерманн, Р. Холтаппельс, Х. Стрикфаден, М. Хаусманн (2011): Визуализация биологических наноструктур со сверхразрешением с помощью спектральной прецизионной дальней микроскопии: Биотехнология 6: 1037–1051
  32. ^ Мануэль Гункель, Фабиан Эрдель, Карстен Риппе, Пол Леммер, Райнер Кауфманн, Кристоф Хёрманн, Роман Амбергер и Кристоф Кремер (2009): Двухцветная локализационная микроскопия клеточных наноструктур . В: Биотехнологический журнал, 2009, 4, 927–938. ISSN 1860-6768
  33. ^ C. Cremer, R. Kaufmann, M. Gunkel, F. Polanski, P. Müller, R. Dierkes, S. Degenhard, C. Wege, M. Hausmann, U. Birk: «Перспективы применения локализационной микроскопии в вирусологии», Histochem Cell Biol (2014)
  34. ^ Qiaoyun Wang, Rüdiger Dierkes, Rainer Kaufmanna, Christoph Cremer: «Количественный анализ отдельных кластеров рецепторов фактора роста гепатоцитов в эпителиальных клетках человека, инфицированных вирусом гриппа А, с использованием локализационной микроскопии» Biochimica et Biophysica Acta (2014)
  35. ^ P. Lemmer, M.Gunkel, D.Baddeley, R. Kaufmann, A. Urich, Y. Weiland, J.Reymann, P. Müller, M. Hausmann, C. Cremer (2008): SPDM – световая микроскопия с разрешением отдельных молекул в наномасштабе: в Applied Physics B , том 93, стр. 1-12
  36. ^ Кауфманн, Райнер; Мюллер, Патрик; Хильденбранд, Георг; Хаусманн, Михаэль; Кремер, Кристоф (2010). «Анализ кластеров мембранных белков Her2/neu в различных типах клеток рака молочной железы с использованием локализационной микроскопии». Журнал микроскопии . 242 (1): 46–54. doi :10.1111/j.1365-2818.2010.03436.x. PMID  21118230. S2CID  2119158.

Внешние ссылки