Die heutigen Mikroskopiesysteme erfassen komplexe Systeme mit hoher Präzision und sind daher für die Life Science-Forschung bei der Untersuchung biologischer Mechanismen unerlässlich. Wie alle Laborgeräte, die in der Forschung eingesetzt werden, muss das Mikroskop eine konsistente Leistung aufweisen, um reproduzierbare Daten zu liefern.

Dies stellt eine Herausforderung dar, da sowohl die Mikroskope als auch die Bildanalyse immer komplexer werden.

In diesem Beitrag untersuchen wir genau, wie wichtig die Überwachung der Leistung des Mikroskops ist und mit welchen Analysetools Probleme, die zur Beeinflussung der Ergebnisse durch systematische Fehler führen, besser erkannt werden.

Wie sich systematische Fehler in experimentelle Daten einschleichen können

Es gibt verschiedene Ursachen für systematische Fehler in experimentellen Daten. Ein Beispiel ist die morphologische Analyse. Zur Feststellung von Veränderungen der Zellstruktur müssen Bilder aufgenommen und morphologische Unterschiede gemessen werden. Selbst wenn das Mikroskop einwandfrei funktioniert, kann es aufgrund der Probenvorbereitung oder biologischer Schwankungen in der Probe zu einer Beeinflussung der Bilder und der nachfolgenden Ergebnisse durch systematische Fehler kommen. Das macht es schwierig, genaue und reproduzierbare Daten zu gewinnen.

Wenn nun diese Aufgabe mit einem nicht kalibrierten Mikroskop durchgeführt wird, kommen weitere mikroskopbedingte systematische Fehler hinzu, sodass die nachfolgenden Messungen weder genau noch präzise sind. Die Reproduzierung desselben Datensatzes wäre bei erneuter Durchführung des Experiments nahezu unmöglich.

Dies ist ein gravierendes Problem, wenn experimentelle Daten veröffentlicht werden sollen, insbesondere, wenn ein Gutachter die Wiederholung des Experiments verlangt. Ohne kalibrierte Geräte könnte es schwierig werden, vergleichbare Ergebnisse zu erzielen.

Gegen biologische Schwankungen in einer Probe lässt sich zwar wenig tun, aber es gibt Möglichkeiten, die Leistung des Mikroskops zu überwachen und festzustellen, was die Ursachen für systematische Fehler bei der Bildgebung und Messung sind. Bevor wir diese Möglichkeiten beschreiben, befassen wir uns zunächst mit systematischen Fehlern bei quantitativen Messungen.

Fehler bei quantitativen Messungen

Mit einem Mikroskop kann eine Vielzahl verschiedener quantitativer Analysen durchgeführt werden. Die meisten quantitativen Anwendungen umfassen die Messung und den Vergleich entweder der Fluoreszenzintensität oder der räumlichen Veränderungen innerhalb eines Bildes.

Jede quantitative Messung enthält einen gewissen Anteil an Fehlern bzw. systematischen Fehlern. Diese Fehler können durch die Probe oder das Mikroskop verursacht werden und sich in ungenauen oder unpräzisen Messungen niederschlagen. Während Ungenauigkeit zu ständigen Messfehlern führt, erhöht sich durch fehlende Präzision die Varianz bei wiederholten Messungen. Beides beeinträchtigt die Reproduzierbarkeit der Daten.

In der Vergangenheit stützten sich viele Studien zur Bildanalyse auf manuelle Messungen zur quantitativen Analyse. In den letzten zwei Jahrzehnten gab es jedoch einen Trend hin zur bioinformatischen Bildanalyse sowie zu Software-Tools, einschließlich KI-Programmen, die Messungen automatisieren und den Durchsatz massiv erhöhen können. Dadurch hat die Datenmenge, die bei quantitativen Mikroskopieexperimenten erzeugt wird, neue Dimensionen erreicht.

Da immer mehr Bilder pro Experiment produziert und diese Bilder in komplexe Modelle eingespeist werden, um sie zu analysieren und die relevanten Informationen zu extrahieren, ist es unerlässlich, mit möglichst hochwertigen und stabilen Bildern zu beginnen. Wenn die Bildgebung über mehrere Tage hinweg erfolgt, wird ein Mikroskop mit instabiler Leistung während dieser Zeit mit Sicherheit große Abweichungen in den Daten verursachen. Unabhängig davon, wie leistungsfähig die Analysesoftware auch sein mag, haben die zugrundeliegenden Referenzdaten den größten Einfluss auf die Konsistenz und Zuverlässigkeit der Daten.

Fehlerquellen sind aber nicht nur der höhere Durchsatz und die Analysesoftware. Die heutigen Mikroskopiesysteme sind komplexer denn je und bestehen aus verschiedenen optischen, mechanischen und elektrischen Komponenten. Die Gefahr von Ausrichtungsfehlern, Fehlfunktionen oder Ausfällen bei diesen Instrumenten steigt mit der zunehmenden Anzahl komplexer Komponenten.

Wenn nun die Komplexität der Mikroskopiesysteme zu einer weiteren potenziellen Beeinflussung der Daten führt, wie kann die Leistung des Mikroskops überwacht und die Konsistenz der Ergebnisse gewährleistet werden?

Tools zur Überwachung der Mikroskopleistung

Mikroskope von führenden Herstellern wie Evident haben strenge, genau definierte Leistungsparameter. Bei der Installation wird ein genaues Protokoll befolgt, um sicherzustellen, dass das Mikroskop den Werksnormen entspricht.

Im Laufe der Zeit können sich einige Leistungskennzahlen außerhalb eines akzeptablen Bereichs bewegen, weshalb eine Leistungsanalyse des Mikroskops so wichtig ist. Es muss sichergestellt werden, dass das Mikroskop jederzeit – ob einen Tag, einen Monat oder ein Jahr nach dem Kauf – eine konsistente Leistung aufweist.

Bisher war es schwierig, einen Einblick in die Leistung eines Mikroskops zu erhalten. Oft umfasste dieser Prozess die Erstellung einer Kalibrierungskurve der Ausgangsintensität im Vergleich zum prozentualen Transmissionsgrad mit Hilfe von Kalibrierungs-Kits. Auch die Fehlersuche bei bestimmten Parametern (z. B. Auflösung oder Homogenität) war in der Vergangenheit eine Herausforderung, da für die Erkennung spezifischer Fehlfunktionen unterschiedliche Tools erforderlich waren.

Eingebaute Tools zur Überwachung der Mikroskopleistung

Heute gibt es einfachere und schnellere Lösungen, um die Mikroskopleistung zu überwachen. Betrachten Sie das folgende Beispiel. Bei der longitudinalen Zeitraffermikroskopie kommt es bei einigen Mikroskopsystemen über längere Zeiträume zu Leistungsschwankungen. So entstehen Zeitrafferaufnahmen von unterschiedlicher Qualität.

Eine moderne Lösung – das FLUOVIEW FV3000 Laser-Scanning-Konfokalmikroskop – bietet für solche Experimente eine stabile Laserleistung. Ein optisches Laser-Intensitätsüberwachungs- und -Regelungssystem in der Scan-Einheit sorgt für eine stabile Anregungsintensität während längerer Zeitraffer-Studien. Dies wird in den nachstehenden Zeitrafferaufnahmen deutlich (Abbildung 1).

Abbildung 1: Mit dem FV3000 Konfokalmikroskop aufgenommene Zeitrafferbilder. Die NK(Natural Killer)-Zelllinie KHYG-1 (grün) verändert ihre Form, wenn sie mit Cetuximab (blau) markierte HT-29-Tumorzellen angreift und abtötet. Die Aufnahme von Propidiumjodid (PI) (rot) zeigt den Zelltod an.

Externe Tools zur Überwachung der Mikroskopleistung

Zusätzlich zu den integrierten Mikroskopielösungen für die Leistungsüberwachung gibt es eine Reihe von externen Lösungen, mit denen Mikroskopbenutzer und Hersteller gleichermaßen sicherstellen können, dass das Mikroskopsystem optimal funktioniert. Argolight ist ein Unternehmen, das sich auf Lösungen für die Qualitätskontrolle von Mikroskopen spezialisiert hat. Das Unternehmen hat eine Reihe von Objektträgern für die Qualitätskontrolle und die dazugehörige Software entwickelt, mit der selbst geringfügige Schwankungen in der Mikroskopleistung erkannt werden können.

Die Lösungen von Argolight für die Leistungsanalyse werden in Form von Objektträgern oder Mikrotiterplatten angeboten. Sie können für die Qualitätskontrolle in einer Vielzahl von Mikroskopsystemen, einschließlich Fluoreszenzmikroskopen, verwendet werden. Diese Lösungen sind eine wertvolle Starthilfe für Forscher, die sich über die Leistung ihres Mikroskops unsicher sind.

Abbildung 2: Zwei der 16 Fluoreszenzmuster sind in jedem Argolight HM-Objektträger enthalten. Linkes Bild: Ringmuster zur Überprüfung der Planität. Rechtes Bild: Muster mit (vertikalen) Linien, deren Abstand sich allmählich vergrößert, zur Überprüfung der Auflösung.

Wie funktionieren diese Hilfsmittel?

Einfach gesagt, enthalten die Objektträger ein genau definiertes geometrisches Fluoreszenzmuster mit einer Matrix von Fokuspunkten (Beispiele siehe Abbildung 2). Diese Objektträger werden abgebildet und anschließend von der Software analysiert. Die Software ist in der Lage, jede Verzerrung in der Leistung des Mikroskops zu erkennen und den Grad der Verzerrung für jeden Parameter zu bestimmen. Liegt ein Wert außerhalb des vom Benutzer festgelegten zulässigen Bereichs, kann diese Information in Form eines kompakten Fehlerberichts an den Hersteller oder das Mikroskopiezentrum zurückgesendet werden.

Schnelle Ergebnisse dank optimierter Fehlerbehebung bei Mikroskopen

Schnelle Lösungen für die Qualitätskontrolle von Mikroskopen wie die von Argolight können sowohl für den Anwender als auch für den Hersteller von Vorteil sein. Angenommen, Sie entdecken ein Problem mit Ihrem Mikroskop. Wenn Sie einen Fehlerbericht an unser kompetentes Servicetechnikerteam senden, können diese Ihr Problem schneller beheben. Mit diesem Bericht können sie schnell erkennen, welche Komponente möglicherweise nicht richtig funktioniert, und relevante, spezifische Fragen stellen, um das Problem zu beheben.

Mit einem kompakten Leistungsbericht für das gesamte Mikroskop sparen Sie Zeit und Geld, da Sie die Informationen nicht erst mit verschiedenen Analysetools sammeln müssen. Die Servicetechniker können das Problem schnell beheben, so dass die Benutzer ihre Arbeit fortsetzen können. Mit einem detaillierten Überblick über die Leistung in einem kompakten Bericht können unsere Techniker mit größerer Wahrscheinlichkeit ein Problem aus der Ferne beheben und so die Ausfallzeit des Geräts minimieren, damit die Forscher ihre Forschungsarbeiten fortsetzen können.

Viele unserer Kunden haben bereits universelle Tools zur Fehlerüberwachung eingesetzt, um die Erfassung zuverlässiger Daten zu gewährleisten, vom Mikroskop verursachte Verzerrungen zu beseitigen, die Entwicklung der Systemleistung im Laufe der Zeit zu protokollieren und die quantitative Mikroskopie optimal zu nutzen.

Benötigen Sie Hilfe bei der Überwachung der Leistung Ihres Mikroskops für die quantitative Analyse? Wenden Sie sich hier an unser engagiertes Kundenserviceteam.

Wenn Sie mehr über die Lösungen von Argolight erfahren möchten, können Sie das Unternehmen hier kontaktieren.

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