Optogenetische Zellstimulation mittels strukturierter holographischer Beleuchtung

Optogenetik ist die Kontrolle der Aktivität genveränderter, optisch stimulierbarer Zellen wie Neuronen und Muskelzellen. Wir stellen ein digitales holographisches System zur strukturierten Anregung von Zellnetzwerken vor. Zur Darstellung von Hologrammen mit einer Bildrate von 1,7 kHz wird ein binärer ferroelektrischer Flüssigkristall-SLM genutzt. Die Berechnung der Hologramme geschieht durch die Faltung einer Fresnelschen Zonenplatte mit dem gewünschten Beleuchtungsmuster und anschließender Fehlerdiffusion. Wir verwenden einen Quasi-Freiraum-Aufbau, um die lichteffiziente nullte Beugungsordnung verwenden zu können und Einschränkungen des Bildfeldes zu umgehen. Bei einem effektiven Arbeitsabstand von 33 mm wird ein Fokus kleiner 10 µm bei einer Positionsgenauigkeit von rund 8 µm erreicht. Wir verwenden unseren Aufbau für die optogenetische Anregung von Clustern von aus induzierten pluripotenten Stammzellen gewonnenen Herzmuskelzellen. Diese kontrahieren in Korrelation mit der zeitlichen und örtlichen Verteilung der eingestrahlten Lichtintensität. Das hier vorgestellte System bietet großes Potential für die Optogenetik, z.B. für die Untersuchung von Signalpfaden in Zellnetzwerken.