(14.07.2023) Moderne Mikroskope und Bildgebungsverfahren bleiben für viele Forscher und Forscherinnen oft unerreichbar, weil die Instrumente genauso teuer wie kompliziert zu bedienen sind. Die Open-Source-Mikroskopie will dies mit einfach nachzubauenden Geräten ändern, die sich zudem ohne viel Aufwand an individuelle Bedürfnisse anpassen lassen.
Das Mikroskop hat sich von einem einfachen Vergrößerungsglas zu einem vollständig automatisierten KI-gestützten Analysewerkzeug gewandelt, das als wissenschaftliches Instrument beständig weiterentwickelt wird. Entsprechend dem Prinzip „Seeing is believing“ ermöglichen immer ausgefeiltere Mikroskopietechniken mit besseren Optiken und Detektoren sowie ausgeklügelten Bildverarbeitungs-Algorithmen zunehmend fundierte Einblicke in unterschiedlichste Präparate, die Antworten auf verschiedene multidisziplinäre Fragen geben sollen.
Mit den wachsenden Anforderungen an die Mikroskopie ist aber nicht nur ein steigender Preis verbunden, sondern auch eine erhöhte Komplexität der zugrunde liegenden Systeme. Wo vor 150 Jahren noch Neugierde und handwerkliches Geschick nötig waren, um die richtige Linse zu bestimmen, setzt die moderne Mikroskopie auf ein Zusammenspiel aus Physik, Biologie, Biochemie, Informatik und Ingenieurswissenschaften, wenn es um ein geeignetes mikroskopisches Set-up für ein geplantes Experiment geht.
„Mal eben schnell“ ein Mikroskop im Labor aufzubauen, reicht häufig nicht aus, um mit dem wissenschaftlichen Fortschritt, etwa in der Zellbiologie oder in den Materialwissenschaften, Schritt zu halten.
Nicht nur der Aufwand für die optischen Aufbauten, die sich nicht selten über mehrere Quadratmeter eines optischen Tischs erstrecken, ist immens. Auch das dazu notwendige Wissen aus verschiedenen Disziplinen ist inzwischen äußerst umfangreich, wenn man den Ansprüchen moderner Wissenschaft genügen will. Das macht mikroskopische Verfahren in den Biowissenschaften immer komplizierter und beschränkt zunehmend ihren Zugang.
Kommerzielle Instrumente, etwa hochauflösende Fluoreszenzmikroskope, die für viel Geld angeschafft werden und dann möglichst lange halten sollen, sind oft extrem komplex. Damit einhergehend bieten sie für die Forschenden wenig Transparenz in Hinblick auf die wissenschaftliche Methode. Zudem sind sie häufig unflexibel und lassen sich nicht an individuelle Forschungsfragen adaptieren. Hinzu kommt, dass die Langlebigkeit der Geräte zwar Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung suggeriert. Durch die eingeschränkte Anwendungsbreite sind aber oft mehrere Mikroskope notwendig, um verschiedene oder neu entstandene wissenschaftliche Fragen beantworten zu können. Das erhöht den finanziellen Aufwand für die Labore, sofern sie die nötigen Mittel überhaupt aufbringen können, und ist zudem nicht besonders nachhaltig.
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, wie der globale Bedarf mikroskopischer Bildgebungsverfahren gedeckt werden kann, ohne wohlhabende Labore im internationalen Vergleich permanent zu bevorteilen, und die planetaren Ressourcen über Gebühr zu strapazieren. Einen vielversprechenden Lösungsansatz findet man in der Open-Mikroskopie-Bewegung, die das Ziel verfolgt, sowohl die Komplexitätshürde als auch das erforderliche Investitionsvolumen für die Geräte zu senken.
Neben dem Teilen von Konstruktionszeichnungen, Bauanleitungen und Teilelisten setzt sie vor allem auf die Bildung globaler Gemeinschaften, um initial ausschließlich in Forschungszeitschriften publizierte Ergebnisse fortzuentwickeln. Schlüsselelemente der Open-Mikroskopie sind unter anderem sich stetig verbessernde Rapid-Prototyping-Instrumente wie 3D-Drucker oder Open-Source (OS)-Elektroniken. Einer ihrer Grundpfeiler ist aber auch der Trend in der OS-Softwareentwicklung, den Quellcode über Plattformen wie GitHub mit anderen zu teilen, um so die eigene Wissenschaft zu bewerben und Feedback aus der breiten Wissenschaftsgemeinde zu einer Verbesserung der Funktionalität zu erhalten.
Open-Mikroskopie ist kein fester definierter Begriff. Die Bewegung versucht Open Science, Open Source und Open Data zu verbinden, um die Reproduzierbarkeit von zumeist biologischen Experimenten zu erhöhen [1]. Dazu werden Qualitätsstandards vorgeschlagen, wie zum Beispiel QUAREP-LiMi [2], die Experimente an unterschiedlichen Orten quantitativ vergleichbar(er) machen sollen.
Zu den Strategien der Open-Mikroskopie gehört aber auch der 3D-Druck, das Teilen von Designdateien, das Zurverfügungstellen von Software-Quellcodes für die Aufnahme, Steuerung und Verarbeitung von Mikroskopiedaten sowie das Hochladen aufgenommener Daten zusammen mit den Analysescripten auf Plattformen wie GitHub oder Zenodo [3]. Wissenschaffende sollen hierdurch die Möglichkeit erhalten, ein Experiment unabhängig zu replizieren, was nur durch ein hohes Maß an Transparenz möglich ist.
Digitale Forensiker wie die vielzitierte Elisabeth Bik zeigen regelmäßig, wie wichtig die Implementierung von Open-Science-Standards ist – der Druck, immer neue wissenschaftliche Ergebnisse zu präsentieren, führt oft genug dazu, dass Forschungsergebnisse manipuliert werden. In den letzten Jahren haben sich einige Projekte herausgebildet, die sowohl als gute Beispiele für die Dokumentation wissenschaftlicher Daten als auch der Interaktion mit der wissenschaftlichen Gemeinschaft dienen können – und hierdurch den Begriff „Open Science“ deutlich prägen. Zu diesen gehören neben der weitverbreiteten Bildverarbeitungs-Software Fiji/ImageJ [4] auch das 3D-gedruckte OpenFlexure-Mikroskop [5] sowie die Mikroskopie-Steuersoftware MicroManager [6] – alles wichtige Werkzeuge im täglichen Einsatz vieler Labore.
Wissenschaft lebt von der Neugierde der Forscher und Forscherinnen. Um neue Fragen beantworten zu können, sind häufig neue Ansätze, Methoden und Werkzeuge nötig. Dazu kommt der Druck, dass es nur die innovativen, disruptiven oder „groundbreaking“ Ergebnisse in die „High-Impact-Journale“ wie Nature oder Science schaffen. In diesen zu publizieren, hat für die wissenschaftliche Karriere nach wie vor eine hohe Bedeutung. Angesichts der kompetitiven Grundstimmung im „Wissenschaftsbusiness“ verwundert es kaum, dass oft jedes Labor eine eigene individuelle Lösung für ein Problem sucht, das parallel in anderen Laboren ebenfalls erforscht wird. Werden vergleichbare Forschungsvorhaben an vielen Orten zeitgleich verfolgt, verschlingt dies enorme Ressourcen an Zeit, Geld und Material. Zumindest im Hinblick auf den wissenschaftlichen Output kann kooperative Offenheit innerhalb der wissenschaftlichen Community zielführender sein. Das zeigen Gegenentwürfe globaler Kooperation und Transparenz zur gemeinsamen Beantwortung wissenschaftlicher Fragestellungen, etwa im Rahmen der Impfstoffentwicklung während der Corona-Pandemie.
Vor etwa fünf Jahren haben wir uns in der Forschungsgruppe von Rainer Heintzmann am Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V. (Leibniz-IPHT) die Frage gestellt, ob sich die Wiederverwertbarkeit der konstruierten Mikroskope durch eine modulare Bauweise erhöhen lässt. Bei der von uns entwickelten quelloffenen Mikroskopie-Plattform UC2 (You.See.Too., [7]) finden einzelne Elektronik- sowie Optikkomponenten, zum Beispiel Objektive, Kameras oder Stages, in 3D-gedruckten, beziehungsweise spritzgegossenen, Würfeln Platz, die durch eine dreidimensionale Anordnung der Module beliebig komplexe Aufbauten ermöglichen. Basierend auf einer wachsenden Bibliothek verfügbarer Module [8], die teilweise auch von der Nutzergemeinschaft entwickelt wurden, lassen sich im Rapid-Prototyping-Ansatz etwa mehrfarbige Fluoreszenzmikroskope für Multiwellplatten zügig bauen oder Lichtblattmikroskope für Materialprobenanalysen „zusammenwürfeln“. Die von uns mitentwickelte Python-basierte Mikroskopie-Ansteuerungs- und Bildverarbeitungssoftware ImSwitch [9] unterstützt die Systeme als quelloffene und ebenfalls Community-entwickelte Lösung. Der hierbei verbaute mehrdimensionale Bildviewer Napari [10] ist mit vielen Plug-ins ausgestattet, um zum Beispiel Biowissenschaftler mit automatischen Zellsegmentierungen zu unterstützen.
ImSwitch und UC2 sind perfekte Beispiele dafür, wie Open Source zu Synergieeffekten von Wissenschaffenden an komplett unterschiedlichen Orten, Stockholm und Jena, führen kann. Beide Projekte waren bereits vor der wissenschaftlichen Veröffentlichung über Plattformen wie GitHub zugänglich. Die User konnten zu diesen Feedback geben sowie Ideen einbringen und waren auf diese Weise aktiv am Entwicklungsprozess beteiligt. Die Kernkompetenzen von Hard- und Softwareentwicklung der beiden Institutionen schlugen sich in einem professionellen, modularen Gesamtsystem nieder, das sich an neue Mikroskopie-Ansätze adaptieren lässt. Die hierdurch entstandene Nutzer-Community ist die Basis dafür, dass die Projekte auch nach der Finanzierungsperiode der Kernentwickler weiter bestehen bleiben. Die in der Regel auf vier bis fünf Jahre befristete Projektlaufzeit von Promotionsverfahren oder Postdoc-Verträgen führt häufig dazu, dass Open-Source-Projekte nicht weiterentwickelt werden.
Eine ausführliche Dokumentation ist neben der Adressierung eines klaren Nutzerbedürfnisses eine Kernkomponente für ein erfolgreiches und nachhaltiges Projekt – auch außerhalb der Open-Source-Welt. Plattformen wie GitHub (https://openuc2.github.io/), ReadTheDocs oder Instructables erleichtern die Dokumentation für schrittweise Anleitungen. Dennoch sollte auch über die Art der Projektförderung durch die geldgebenden Institutionen diskutiert werden. Neben der Förderung innovativer Einzelprojekte sollten allen Forschern und Forscherinnen von vorne herein auch die nötige Infrastruktur sowie bessere Instrumente zur Verfügung stehen. Dies führt nicht zwangsläufig sofort zu High-Impact-Publikationen. Bessere und ausgereiftere Werkzeuge, die durch wiederverwendbare Komponenten weniger Ressourcen verschlingen, tragen aber zu einem solideren Fundament der gesamten Forschungslandschaft bei.
Die Schaffung von Schnittstellen ist ein weiterer wichtiger Aspekt. Jedes wissenschaftliche Labor hat eine Kernexpertise und benötigt für die Experimente meist spezielle Instrumente. Für die Integration einer Komponente in die eigenen Arbeitsabläufe sind häufig viele unterschiedliche Adapter nötig, die wiederum die Komplexität der Systeme erhöhen. Bereits vorhandene Standards, die sowohl Software-Module wie zum Beispiel REST-API als auch Hardware-Module, etwa Bildebenen, miteinander verknüpfen, lösen dieses Problem.
Beispiele hierfür sind Kombinationen aus der oben erwähnten Mikroskopie-Plattform UC2 mit der Steuerungssoftware ImSwitch (UC2-ImSwitch), mit dem OpenFlexure-Mikroskop (UC2-OpenFlexure) oder mit einem Pipettierroboter (UC2-Opentrons) [11]. Die Open-Source-Komponenten lassen sich schnell verbinden und adaptieren, um auch komplexe Laborautomations-Experimente durchzuführen.
Im digitalen Zeitalter, in dem fast überall auf der Welt internetfähige Endgeräte oder gar 3D-Drucker zu finden sind, hat das Teilen der Quellen aber noch einen weiteren Vorteil bei der globalen wissenschaftlichen Inklusion. Online Repositories dienen als digitale Teleporter: Die Lösungen werden am Standort A entwickelt und am Standort B gebaut, getestet und verwendet. Lokal durchgeführte Workshops zum Thema Mikroskopie in Ländern wie Madagaskar, Chile und Nigeria zeigen, dass sich Projekte wie das UC2-System oder das Mini-Mikroskop ESPressoscope (https://matchboxscope.github.io/) auch außerhalb der entwickelnden Institution mit den vor Ort vorhandenen Mitteln replizieren lassen.
Diese Option sollten Open-Source-Entwickler bereits während der Konzipierung und Entwicklung eines Projekts berücksichtigen. Frei nach dem Motto „Not macht erfinderisch“ muss man sich hierbei folgende Fragen stellen: Kann eine Person das Projekt nachbauen? Welche Bauteile lassen sich am Standort B beschaffen? Welche Umwelteinflüsse könnten die Bildqualität beeinträchtigen? Wie kommen die Nutzer und Nutzerinnen an die Daten und wie müssen sie für einen erfolgreichen Nachbau aufbereitet werden?
Das gilt auch für Open-Source-Projekte, die nicht nur im Bildungskontext eingesetzt werden können, sondern auch den Ansprüchen von Laboren in der Spitzenforschung genügen sollen. Ein Beispiel hierfür ist das MesoSPIM-Mikroskop [12], das makroskopische Volumenaufnahmen von Fluoreszenzproben mittels Lightsheet-Mikroskopie ermöglicht. Obwohl der Preisrahmen am Ende bei mehreren 100.000 Euro liegt, führt die hohe Leistungsfähigkeit des Systems und das fehlende kommerzielle Pendant dennoch zu vielen weltweiten Nachbauten.
Wie bereits erwähnt, hängt das Überleben eines Open-Science-Projekts vom Commitment der Nutzer ab. Um es nachhaltig zu betreiben, sind in den meisten Fällen eine höhere Organisationsstruktur sowie in manchen Teilen auch ein kommerzielles Interesse nötig. Der Forschungsstandort Deutschland translatiert jedes Jahr neue, innovative und zukunftsträchtige Ideen aus dem Labor in die Wirtschaft. Ein Kriterium seitens der Investoren sind in fast allen Fällen Patente und das damit verbundene geistige Eigentum (Intellectual Property, IP).
Dennoch ist es mit dem quelloffenen Ansatz möglich, ein Geschäftsmodell aufzubauen. Das aus dem Leibniz-IPHT ausgegründete Start-up openUC2 (openuc2.com) setzt sich zum Ziel, das modulare Mikroskopie-Konzept einem breiten Nutzerspektrum zur Verfügung zu stellen, und damit das Bild der Mikroskopie zu revolutionieren.
Die offene Entwicklung mit der wissenschaftlichen Gemeinschaft und der damit verbundene für jeden offene Zugang zu den Quellen ermöglichen völlig neue Geschäftsmodelle. So ist eine dezentrale Produktion in den Firmen möglich, wobei Neuerungen wieder mit der Gemeinschaft geteilt werden müssen. Der langwierige Prozess der Patentanmeldung entfällt, neue Innovationen können schneller entwickelt werden. Open-Source-Lizenzmodelle erlauben es darüber hinaus, auch Soft- und Hardwarelösungen zu integrieren, die ansonsten teuer wären. Der Mehrwert bleibt in der Community, die etwa mithilfe frei verfügbarer Konstruktionszeichnungen schnell eigene Komponenten an die Geräte anbauen kann.
Die Open-Source-Mikroskopie ist eine bahnbrechende Bewegung, die Wissenschaffenden die Möglichkeit bietet, die Grenzen der biologischen Bildgebung und -analyse zu erweitern. Open-SourceTechnologien und globale Gemeinschaften helfen mit, die Kosten und Komplexität leistungsfähiger Mikroskope erheblich zu senken, wodurch diese auch ärmeren Laboren offenstehen. Aus der Kombination von Transparenz, Reproduzierbarkeit und Zusammenarbeit sind auch die Mikroskopie-Plattform UC2 sowie die Mikroskopie-Steuerungs- und Bildverarbeitungssoftware ImSwitch entstanden. Sie belegen, dass die Zusammenarbeit zwischen unterschiedlichen Fachbereichen und Standorten zu hochmodernen, anpassungsfähigen und effektiven Mikroskopiesystemen führen kann.
Trotz der erheblichen Fortschritte, die die moderne Mikroskopie bereits erzielt hat, verbleiben noch zahlreiche Herausforderungen, für die Open-Source-Mikroskopie. Ein Beispiel sind Hochleistungsmikroskope wie das 3D-gedruckte Einzelmolekül-Detektions-Mikroskop mit Sub-100-nm-Auflösung [13]. Universelle Standards und Schnittstellen, sowohl auf der Software- als auch auf der Hardwareseite, die die Kompatibilität und einfache Integration von Modulen gewährleisten, können hier einen wichtigen Beitrag leisten. Die Entwicklung dauerhafter und nachhaltiger Projekte, die über die typischen Zeiträume von Forschungsfinanzierungen hinaus Bestand haben, ist ein weiterer Knackpunkt. In diesem Zusammenhang ist auch eine neue Form des wissenschaftlichen Belohnungssystems vonnöten, das den „Impact“ neu definiert.
Ein zentrales Thema der Open-Source-Mikroskopie ist die weltweite Verbreitung der Instrumente in Laboren mit geringeren finanziellen Mitteln und Möglichkeiten. Der Ansatz, Projekte digital zu teilen und vor Ort mit lokalen Ressourcen nachzubauen, fördert die wissenschaftliche Inklusion und ermöglicht Spitzenforschung auf globaler Ebene. Zu guter Letzt muss auch die Wissenschaft eine Nachhaltigkeits-Strategie verfolgen. Open-Source-Mikroskopie und modulare Systeme wie UC2 können als Beispiel für eine umweltverantwortlichere Wissenschaftspraxis dienen.
Die Open-Source-Mikroskopie beschleunigt nicht nur den wissenschaftlichen Fortschritt. Die ihr zugrunde liegende Transparenz, Flexibilität und Nachhaltigkeit bieten auch ein enormes Potenzial für verantwortungsbewusste wissenschaftliche Innovationen und Entwicklungen in der Zukunft. Um das volle Potenzial der Open-Source-Bewegung zu entfalten, muss die Wissenschaftsgemeinschaft zusammenarbeiten und offene, transparente sowie kooperative Ansätze fördern.
[1] Hohlbein J. et al., Nature Methods 19: 1020-25
[2] Boehm U. et al., Nature Methods 18: 1423-26
[3] Diederich B. et al., Nature Methods 19: 1026-30
[4] Schindelin J. et al., Nature Methods 9: 676-82
[5] Collins J.T. et al., Biomedical Optics Express 11 (5): 2447-60
[6] Edelstein A.D. et al., Journal of Biological Methods 1(2): e10
[7] Diederich B. et al., Nature Communications 11: 5979
[8] https://github.com/openUC2/UC2-GIT
[9] Casas Morena X. et al., Journal of Open Source Software 6(64): 339
[10] doi.org/10.5281/zenodo.3555620
[11] Ouyang W. et al., Adv. Biology 6: 2101063
[12] Voigt F.F. et al., Nature Methods 16: 1105-08
[13] Zehrer A.D. et al., bioRxiv doi.org/10.1101/2023.05.31.542706
