Bei der Elektronenmikroskopie (EM) wird zur Abbildung von Proben ein Elektronenstrahl anstelle von Licht verwendet. Dabei wird eine Auflösung von bis zu 0,1 nm erreicht – etwa 1000-mal besser als bei der Lichtmikroskopie. Obwohl die EM für viele Diagnosen weitgehend durch Immunhistochemie und molekulare Techniken ersetzt wurde, bleibt sie für spezifische klinische Fragestellungen in der Nieren-, neuromuskulären und Ziliarpathologie unerlässlich.
Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)
TEM sendet einen Elektronenstrahl durch einen ultradünnen Abschnitt (60–100 nm) der Probe. Elektronen interagieren mit der Probe und das resultierende Muster wird auf einen Fluoreszenzschirm oder einen digitalen Detektor projiziert. Dichte Strukturen (Kerne, Ribosomen, Glykogen) streuen mehr Elektronen und erscheinen dunkel (elektronendicht); weniger dichte Strukturen (zytoplasmatische Matrix) erscheinen hell (elektronendurchlässig).
Probenvorbereitung für TEM ist anspruchsvoll. Das Gewebe wird in Glutaraldehyd (2,5 % in Cacodylatpuffer) fixiert, wodurch die Ultrastruktur besser erhalten bleibt als bei Formalin. Die Nachfixierung in Osmiumtetroxid stabilisiert die Lipide. Die Proben werden durch abgestuftes Ethanol dehydriert, mit Epoxidharz infiltriert und bei 60 °C 24–48 Stunden lang polymerisiert. Ultradünne Schnitte werden auf einem Ultramikrotom mit einem Diamantmesser geschnitten, auf Kupfergittern gesammelt und mit Schwermetallen (Uranylacetat, Bleicitrat) angefärbt, um den Kontrast zu erhöhen.
Rasterelektronenmikroskopie (REM)
SEM scannt einen Elektronenstrahl über die Probenoberfläche und erkennt dabei Sekundärelektronen, die von den Oberflächenatomen emittiert werden. Dadurch entstehen dreidimensionale topografische Bilder mit einer Auflösung von 1-10 nm. Mit REM wird die Oberflächenarchitektur von Geweben untersucht – Zilien, Mikrovilli, Endotheloberfläche und Fremdmaterialien. Die Proben müssen am kritischen Punkt getrocknet und mit Gold oder Platin durch Sputtern beschichtet werden, um Elektronen zu leiten.
Diagnostische Anwendungen von TEM
Nierenpathologie bleibt die wichtigste diagnostische Anwendung der TEM. Glomeruläre Erkrankungen werden nach ultrastrukturellen Befunden klassifiziert: elektronendichte Ablagerungen bei Lupusnephritis (mesangial, subendothelial, subepithelial), dünne Basalmembrannephropathie (Basalmembrandicke < 200 nm), Alport-Syndrom (unregelmäßige Ausdünnung, Verdickung und Lamellierung der glomerulären Basalmembran) und Auslöschung des Fußfortsatzes bei minimaler Veränderung. EM ist für die Klassifizierung von [hereditärer Nephritis] (/guides/cell-structure-and-organelles.html) unerlässlich und wird als Teil der Standarduntersuchung bei ungeklärter Proteinurie und Hämaturie empfohlen.
Neuromuskuläre Pathologie – EM identifiziert strukturelle Anomalien in Muskel- und Nervenbiopsien. Spezifische Befunde umfassen Nemalin-Stäbchen (angeborene Myopathie), Erkrankungen des zentralen Kerns (Kernstrukturen ohne Mitochondrien), röhrenförmige Aggregate und mitochondriale kristalline Einschlüsse. Bei peripheren Nerven erkennt EM den Verlust nichtmyelinisierter Nervenfasern, axonale Degeneration und Demyelinisierungsmuster.
Zilienpathologie – EM einer Nasen- oder Bronchialbiopsie zeigt die Ultrastruktur der Zilien. Dynein-Arm-Defekte, radiale Speichen-Defekte und Mikrotubuli-Transposition sind diagnostisch für eine primäre Ziliardyskinesie (Kartagener-Syndrom). Für eine definitive Beurteilung müssen mindestens 50 Zilien im Querschnitt untersucht werden.
Infektionskrankheit – EM visualisiert Viruspartikel direkt im Gewebe und ermöglicht die Diagnose von Infektionen, bei denen Kultur oder PCR negativ sind. Die charakteristische Virusmorphologie identifiziert Herpesviren (ikosaedrische Nukleokapsiden), Adenoviren, Polyomaviren (BK-Virus bei Nierentransplantationen) und neu auftretende Krankheitserreger.
Tumorpathologie – EM löst spezifische ultrastrukturelle Merkmale auf: Melanosomen (Melanom), Birbeck-Granula (Langerhans-Zell-Histiozytose), neurosekretorische Granula mit dichtem Kern (neuroendokrine Tumoren) und Weibel-Palade-Körperchen (vaskuläre endotheliale Tumoren). Während IHC EM bei den meisten Tumordiagnosen ersetzt hat, bleibt EM für seltene undifferenzierte Tumoren nützlich, bei denen IHC keine schlüssigen Ergebnisse liefert.
Immunelektronenmikroskopie
Die Immunogold-Kennzeichnung kombiniert IHC mit EM. An kolloidale Goldpartikel (5–20 nm) konjugierte Antikörper binden Zielantigene, die im TEM als elektronendichte Punkte sichtbar sind. Diese Technik lokalisiert Proteine in bestimmten subzellulären Kompartimenten – und zeigt beispielsweise, dass ein körniges Färbemuster in der Lichtmikroskopie einer mitochondrialen oder lysosomalen Proteinansammlung entspricht. Immunogold kann an ultradünnen Schnitten (Nacheinbettung) oder vor der Harzeinbettung (Voreinbettung) durchgeführt werden.
Einschränkungen
EM erfordert spezielle, teure Ausrüstung (normalerweise 300.000–800.000 US-Dollar pro Instrument) und hochqualifiziertes technisches Personal. Die Probenvorbereitung dauert 3-5 Tage. Aufgrund der geringen Größe der untersuchten Fläche stellen Stichprobenfehler ein erhebliches Risiko dar. Formalin-fixiertes Gewebe kann für EM gewonnen werden, weist jedoch im Vergleich zu Glutaraldehyd-fixiertem Gewebe eine verschlechterte Ultrastruktur auf. Viele klassische EM-Diagnosen (Tumorklassifizierung) werden mittlerweile von der IHC gestellt, wodurch sich das klinische Volumen in den meisten Labors auf renale und neuromuskuläre Fälle reduziert.
