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1901 bis 1910: Erregern auf der Spur – die Rolle der Mikroskopie bei der Erkennung und Erforschung von Krankheitserregern

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Ernst-Leitz-Mikroskop: 1907 bauen die optischen Werke Ernst Leitz ihr hunderttausendstes Stück – und überreichen es Robert Koch, nachträglich zu seinem Nobelpreis von 1905. Quelle: RKI Ernst-Leitz-Mikroskop: 1907 bauen die optischen Werke Ernst Leitz ihr hunderttausendstes Stück – und überreichen es Robert Koch, nachträglich zu seinem Nobelpreis von 1905. Quelle: RKI

Das Ernst-Leitz-Mikroskop ist eine erhabene Erscheinung: Stativ und Fuß sind elegant geschwungen, vom schwarz glänzenden Lack setzen sich Okular und Objektive aus Messing ab. Die optischen Werke Ernst Leitz sind Anfang des 20. Jahrhunderts die erfolgreichsten Mikroskop-Hersteller auf dem Markt. 1907 bauen sie ihr hunderttausendstes Stück – und überreichen es Robert Koch, nachträglich zu seinem Nobelpreis von 1905. Die Mikroskopie spielt seit jeher eine zentrale Rolle in der Infektionsforschung. „Die Visualisierung eines Erregers ist immer etwas Besonderes, auch heute noch“, sagt der Biologe Michael Laue. Der Mensch sei eben stark visuell geprägt: Was er sieht, das glaubt er auch. Michael Laue leitet das Fachgebiet Spezielle Licht- und Elektronenmikroskopie am Robert Koch-Institut. Mikroskope sind sein Hauptwerkzeug, für die Diagnostik von Krankheitserregern, und für die Erforschung spezieller mikrobiologischer Lebensformen wie Sporen und Biofilme. „Die Visualisierung gehört immer dazu. Sie verleiht Ergebnissen, die man auch mit anderen Methoden gewonnen hat, eine besondere Kraft und Bedeutung.“

Das Kleine sichtbar machen

An der Geschichte der Mikroskopie hat Robert Koch mitgeschrieben, sie beginnt aber lange vor seiner Zeit. Niemand weiß, wer das Mikroskop erfunden hat. Der erste, der systematisch Mikroskope baut und in ganz Europa vertreibt, ist der Niederländer Cornelis Drebbel im frühen 17. Jahrhundert. Die theoretischen Grundlagen liefert, auf Anregung von Galileo Galilei, Johannes Kepler: Ein Mikroskop ist letztlich nichts anderes als ein umgedrehtes Fernrohr. Auch die Bezeichnung Mikroskop stammt aus dieser Zeit: „Das Kleine sichtbar machen.“ In den 1660er Jahren beginnt der englische Universalgelehrte Robert Hooke, die Möglichkeiten der Mikroskopie auszuloten: Im Auftrag der Royal Society legt er unter anderem Läuse, Flöhe und Fliegen unters Mikroskop; seine Zeichnungen veröffentlicht er in seinem berühmten Buch „Micrographia“.

Ein Mikroskop ist letztlich nichts anderes als ein umgedrehtes Fernrohr. Auch die Bezeichnung Mikroskop stammt aus dieser Zeit: „Das Kleine sichtbar machen.“

Sein Zeitgenosse Antonie van Leeuwenhoek aus den Niederlanden ist der erste, der systematisch Mikroorganismen mikroskopiert. Im 18. Jahrhundert, erzählt Michael Laue, sei man allmählich von der explorativen in die experimentelle Phase übergegangen: Das Mikroskop wird jetzt gezielt eingesetzt, um Hypothesen zu überprüfen – und um an Dogmen zu rütteln. Der italienische Naturwissenschaftler Lazzaro Spallanzani widerlegt das damals äußerst populäre Konzept der Urzeugung: Mit Hilfe der Mikroskopie zeigt er, dass aus toter Materie allein – in Spallanzanis Experiment eine luftdicht versiegelte Kulturlösung aus abgestorbenem Pflanzenmaterial – nichts Lebendiges neu entstehen kann.

Blaupause zur Aufklärung von Infektionskrankheiten

Das 19. Jahrhundert steht ganz im Zeichen der Infektionsforschung. Der Zusammenhang zwischen Mikroorganismen und Krankheiten wird entdeckt. Robert Kochs Milzbrandversuche sind ein Meilenstein in der Bakteriologie: Er mikroskopiert das Material von erkrankten Tieren und Mäusen, die er gezielt mit Milzbrand infiziert. Koch stellt fest, dass die Infektion durch kettenbildende Bakterien ausgelöst wird. In getrocknetem Material sieht er außerdem punktförmige Strukturen in den Milzbrandbakterien – die so genannten Sporen – und erkennt, dass nur sporenhaltiges Material infektionsfähig ist. Seine Beobachtungen zeichnet er akribisch auf, er setzt sogar als einer der ersten die Mikrofotografie ein, um die Ergebnisse objektiv darzustellen. „Die Untersuchung zum Milzbrand ist die Blaupause für alle anderen Aufklärungen von Infektionserkrankungen in den nächsten Jahrzehnten“, sagt Michael Laue. „Sie gilt auch heute noch als mustergültig.“

Damals, im späten 19. Jahrhundert, treiben verschiedene Entwicklungen das Forschungsfeld rasant voran. Natürlich die Mikroskopie: Der Physiker Ernst Abbe entwickelt Objektive mit einer so hohen Auflösung, dass etwa Mykobakterien, zu denen auch der Erreger der Tuberkulose gehört, erst sichtbar gemacht werden können. Genauso bedeutsam ist Robert Kochs Entdeckung der Reinkulturen – das gezielte Heranziehen von Bakterienkolonien in Kulturmedien. „Beides zusammen ermöglichte erst die Isolierung von Krankheitserregern aus tierischem und menschlichem Material, und anschließende Infektionsversuche“, sagt Laue. Dazu kommen Färbetechniken und die Mikrofotografie. Befeuert wird die Entwicklung durch die Kolonialzeit: Die Arbeiter und Soldaten in den Kolonien plagen Infektionskrankheiten. Es besteht Forschungsbedarf, und es gibt ausreichend Geld. Die Mikroskope werden immer besser. Technische Wünsche, die Koch und seine Kollegen an die Firmen herantragen, etwa nach einem Binokular oder einem beweglichen Objekttisch, werden schnell umgesetzt.

Doch schon zu Kochs Zeiten vermutet man, dass es noch andere Krankheitserreger geben müsse – so winzig, dass sie selbst den besten Lichtmikroskopen entgehen: Viren.

Doch schon zu Kochs Zeiten vermutet man, dass es noch andere Krankheitserreger geben müsse – so winzig, dass sie selbst den besten Lichtmikroskopen entgehen: Viren. Abbilden kann man sie tatsächlich erst 40 Jahre später. 1931 bauen die beiden Ingenieure Bodo von Borries und Ernst Ruska in Berlin das erste Elektronenmikroskop, mit dem sich eine deutlich höhere optische Auflösung erreichen lässt als mit Lichtmikroskopen. Keine zehn Jahre später erhält das Robert Koch-Institut das erste Gerät als Schenkung aus Beständen der Firma AEG. Die Elektronenmikroskopie führt zu einigen bahnbrechenden Entdeckungen am Institut: In den 1980er Jahren etwa gelingt es Hans Gelderblom und seinen Kollegen als erste eine präzise Strukturaufklärung des HI-Virus durchzuführen und ein Modell des Virus zu erstellen.

Ein offener Blick

"In der frühen Phase der Infektionsforschung war die Mikroskopie die einzige Methode,um Erreger nachzuweisen“, sagt Michael Laue. Auch wenn es heutzutage noch andere Herangehensweisen gibt: Die Licht- und die Elektronenmikroskopie wird immer noch für die Diagnostik eingesetzt, im Robert Koch-Institut vor allem bei Ausbruchsuntersuchungen oder biologischen Gefahrenlagen: „In diesen Situationen wollen wir schnell reagieren können.“

Ein Beispiel ist der große Gastroenteritis-Ausbruch 2012 in den ostdeutschen Bundesländern. Molekulargenetisch ließ sich damals das Erbgut von Noroviren in den eingesandten Stuhlproben detektieren. Laue und seine Kollegen konnten mit Hilfe der Mikroskopie aber zeigen, dass in den Proben auch tatsächlich die krankmachenden Viren vorhanden sind, nicht nur ihr genetisches Material, und gleichzeitig nach möglichen anderen Viren suchen.

Die Mikroskopie, sagt der Biologe, erlaube eben einen offenen Blick: Alle Bestandteile einer Probe werden erfasst, klassifiziert und überprüft. Der Schwerpunkt in der Mikroskopie verlagere sich aber zunehmend: vom Erkennen und Auffinden von Erregern hin zu ihrer Erforschung. „Wir generieren neue Hypothesen und überprüfen Hypothesen mit mikroskopischen Methoden.“

Die lebendige Maus unterm Mikroskop

Die aktuellen Trends in der Mikroskopie lassen sich in einem Satz zusammenfassen: „Wir wollen immer mehr sehen“, sagt Michael Laue. Die Auflösungen werden immer höher, die mikroskopischen Techniken immer raffinierter. Mit speziellen Lichtmikroskopen ist heutzutage schon eine Auflösung im Nanometerbereich möglich; mit der Elektronenmikroskopie lassen sich sogar einzelne Atome und die Elektronenwolken zwischen ihnen sichtbar machen. Es gibt heute 3D-Mikroskopie, Lebendzell-Mikroskopie – „mit entsprechendem Aufwand kann man sogar das Ohr von lebendigen Mäusen unter dem Mikroskop anschauen und die Interkation zwischen Gefäßen und einzelnen Zellen verfolgen“, sagt Laue.

Die Mikroskope von heute haben mit den Geräten aus dem späten 19. Jahrhundert äußerlich nichts mehr gemein. Das derzeit modernste Lichtmikroskop im Robert Koch-Institut ist ein grauer Kasten mit Bildschirm. Das Okular ist verschwunden; mikroskopiert wird digital.

Am hunderttausendsten Ernst-Leitz-Mikroskop von 1907 dagegen scheint die Zeit fast spurlos vorübergegangen zu sein. Sein schwarzer Lack schimmert immer noch wie neu. Robert Koch hatte das Gerät in einer Vitrine ausgestellt; zum Einsatz kam es wohl nicht. Der Forscher bevorzugte die deutlich teureren, aber technisch innovativeren Mikroskope der Firma Zeiss. Für die Optischen Werke Ernst Leitz erfüllte die Schenkung trotzdem seinen Zweck – als Marketing-Coup. Das 150.000. Mikroskop der Firma ging ein paar Jahre später an Kochs Weggefährten Paul Ehrlich.

Stand: 16.10.2017

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