@phdthesis{Loeschberger2014,
  author    = {L{\"o}schberger, Anna},
  title     = {Biologische Referenzstrukturen und Protokolloptimierung in der hochaufl{\"o}senden Fluoreszenzmikroskopie mit dSTORM},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-102630},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {Die Lokalisationsmikroskopie ist eine neue, vielversprechende Methode der hochaufl{\"o}senden Fluoreszenzmikroskopie. Sie erm{\"o}glicht detaillierte Einblicke in die Organisation und den strukturellen Aufbau von Zellen. Da die Vorbereitung der Proben und das Aufnehmen der Bilder im Vergleich zu herk{\"o}mmlichen Methoden h{\"o}here Anforderungen stellt, mussten ihr Potential und ihre Zuverl{\"a}ssigkeit erst noch {\"u}berzeugend gezeigt werden. Bis vor kurzem wurde das Aufl{\"o}sungsverm{\"o}gen vor allem an Mikrotubuli gezeigt, deren filament{\"o}se Struktur allerdings schon in konfokalen Bildern zu erkennen ist. Deswegen wurde in dieser Dissertation der Kernporenkomplex (NPC), dessen Struktur in der konventionellen Fluoreszenzmikroskopie nicht aufl{\"o}sbar ist, als Modellstruktur f{\"u}r die hochaufl{\"o}sende Fluoreszenzmikroskopie eingef{\"u}hrt. Dazu wurden Kernporenkomplexe aus Kernh{\"u}llen von Xenopus laevis Oocyten mit dSTORM (direct stochastic optical reconstruction microscopy), einer Methode der Lokalisationsmikroskopie, hochaufgel{\"o}st. Damit konnte nun erstmals die Achtfachsymmetrie dieses Proteinkomplexes lichtmikroskopisch dargestellt werden. Desweiteren konnte der Zentralkanal mit einem Durchmesser von ca. 40 nm aufgel{\"o}st werden. Die Daten eigneten sich außerdem f{\"u}r eine automatisierte Bildanalyse nach dem sogenannten "particle averaging" - einer aus der Elektronenmikroskopie bekannten Methode, um eine Durchschnittsstruktur zu ermitteln. Dar{\"u}ber hinaus wurden Zweifach-F{\"a}rbungen von NPCs benutzt, um verschiedene Ans{\"a}tze f{\"u}r Zweifarben-Aufnahmen mit dSTORM zu testen. Neben dem mittlerweile standardm{\"a}ßig benutzten, sequentiellen Ansatz mit zwei spektral getrennten Farbstoffen, wurde auch ein simultaner Ansatz mit zwei spektral {\"u}berlappenden Farbstoffen erfolgreich angewandt. Auch f{\"u}r 3D-Messungen mit den Ans{\"a}tzen Biplane und Astigmatismus eignete sich die Markierung der Kernh{\"u}lle. Hier wurden jedoch A6-Zellen benutzt und die Kr{\"u}mmung des Zellkerns {\"u}ber die gef{\"a}rbten Kernporen dargestellt. dSTORM-Messungen k{\"o}nnen nicht nur an fixierten, sondern auch in lebenden Zellen durchgef{\"u}hrt werden. Hierzu eignen sich vor allem sehr immobile Proteine, wie H2B oder Lamin C. Anhand von SNAP-Tag- und Halo-Tag-Konstrukten konnte gezeigt werden, dass sich kommerziell erh{\"a}ltliche, organische Farbstoffe auch in endogener zellul{\"a}rer Umgebung schalten lassen, wodurch Lebendzell-Aufnahmen mit dSTORM m{\"o}glich sind. Ein weiterer Teil dieser Arbeit befasst sich mit korrelativen Aufnahmen aus dSTORM und Rasterelektronenmikroskopie (SEM). Hierzu wurden Xenopus laevis Kernh{\"u}llen zuerst mit dSTORM hochaufgel{\"o}st und danach f{\"u}r die EM pr{\"a}pariert. Anschließend wurden zugeh{\"o}rige Bereiche am Rasterelektronenmikroskop aufgenommen. Mit den erhaltenen korrelativen Bildern konnte gezeigt werden, dass sich dSTORM und SEM bei geeigneten Proben durchaus kombinieren lassen. Proteine k{\"o}nnen somit spezifisch markiert und im Rahmen ihrer strukturellen Umgebung mit nahezu molekularer Aufl{\"o}sung dargestellt werden. Da hochwertige Aufnahmen eine ausgereifte Probenpr{\"a}paration voraussetzen, darf deren Etablierung nicht zu kurz kommen. Unter dieser Pr{\"a}misse wurde ein optimiertes Markierungsprotokoll mit dem Namen ClickOx entwickelt. Mit ClickOx bleibt bei der kupferkatalysierten Azid-Alkin-Cycloaddition die Feinstruktur von Aktinfilamenten, sowie die Fluoreszenz fluoreszierender Proteine, deutlich sichtbar erhalten. W{\"a}hrend bei den klassischen Click-Protokollen auf Grund der Entstehung von reaktiven Sauerstoff-Spezies (ROS) feine zellul{\"a}re Strukturen, wie Aktinfilamente, angegriffen oder zerst{\"o}rt werden, sch{\"u}tzt das neue Protokoll mit enzymatischem Sauerstoffentzug Proteine und somit Strukturen vor Reaktionen mit ROS. Das unterstreicht, wie wichtig es ist auch sogenannte "etablierte" Protokolle weiterzuentwickeln, denn bestimmte Nebeneffekte in Pr{\"a}parationen werden unter Umst{\"a}nden erstmals in der Hochaufl{\"o}sung sichtbar. Ein weiterer Aspekt war die Untersuchung des Einflusses von D1 auf die Chromatinorganisation. Mit verschiedenen mikroskopischen Methoden konnten Hinweise auf eine m{\"o}gliche DNA-Cross-Linking-F{\"a}higkeit dieses Proteins gesammelt werden. Hier wurde die Einzelmolek{\"u}linformation der dSTORM-Filme genutzt, um unterschiedliche Grade von DNA- bzw. Chromatin-Akkumulation zu vergleichen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass wildtypisches D1 DNA vernetzen kann. Dies erfolgt {\"u}ber die sogenannten AT-Haken-Motive. Sobald diese alle durch Mutation funktionsunf{\"a}hig gemacht werden - wie bei der verwendeten R10xG-Mutante - l{\"a}sst sich keine Akkumulation der DNA mehr beobachten. Neben der Chromatinaggregation durch D1-Expression konnte in FRAP-Experimenten gezeigt werden, dass nur die "echten" AT-Haken eine hohe Affinit{\"a}t zum Chromatin aufweisen, die sogenannten "potentiellen" hingegen nicht.},
  subject      = {Fluoreszenzmikroskopie},
  language  = {de}
}
@article{EndesfelderMalkuschFlottmannetal.2011,
  author    = {Endesfelder, Ulrike and Malkusch, Sebastian and Flottmann, Benjamin and Mondry, Justine and Liguzinski, Piotr and Verveer, Peter J. and Heilemann, Mike},
  title     = {Chemically Induced Photoswitching of Fluorescent Probes - A General Concept for Super-Resolution Microscopy},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-74896},
  year      = {2011},
  abstract  = {We review fluorescent probes that can be photoswitched or photoactivated and are suited for single-molecule localization based super-resolution microscopy. We exploit the underlying photochemical mechanisms that allow photoswitching of many synthetic organic fluorophores in the presence of reducing agents, and study the impact of these on the photoswitching properties of various photoactivatable or photoconvertible fluorescent proteins. We have identified mEos2 as a fluorescent protein that exhibits reversible photoswitching under various imaging buffer conditions and present strategies to characterize reversible photoswitching. Finally, we discuss opportunities to combine fluorescent proteins with organic fluorophores for dual-color photoswitching microscopy.},
  subject      = {Super-Resolution Microscopy},
  language  = {en}
}
@article{EndesfelderMalkuschFlottmannetal.2011,
  author    = {Endesfelder, Ulrike and Malkusch, Sebastian and Flottmann, Benjamin and Mondry, Justine and Liguzinski, Piotr and Verveer, Peter J. and Heilemann, Mike},
  title     = {Chemically Induced Photoswitching of Fluorescent Probes - A General Concept for Super-Resolution Microscopy},
  series = {Molecules},
  volume    = {16},
  journal   = {Molecules},
  number    = {4},
  doi       = {10.3390/molecules16043106},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-134080},
  pages     = {3106-3118},
  year      = {2011},
  abstract  = {We review fluorescent probes that can be photoswitched or photoactivated and are suited for single-molecule localization based super-resolution microscopy. We exploit the underlying photochemical mechanisms that allow photoswitching of many synthetic organic fluorophores in the presence of reducing agents, and study the impact of these on the photoswitching properties of various photoactivatable or photoconvertible fluorescent proteins. We have identified mEos2 as a fluorescent protein that exhibits reversible photoswitching under various imaging buffer conditions and present strategies to characterize reversible photoswitching. Finally, we discuss opportunities to combine fluorescent proteins with organic fluorophores for dual-color photoswitching microscopy.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Proppert2014,
  author    = {Proppert, Sven Martin},
  title     = {Design, implementation and characterization of a microscope capable of three-dimensional two color super-resolution fluorescence imaging},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-107905},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {This thesis reviews the fundamentals of three-dimensional super-resolution localization imaging. In order to infer the axial coordinate of the emission of single fluorophores, the point spread function is engineered following a technique usually referred to as astigmatic imaging by the introduction of a cylindrical lens to the detection path of a microscope. After giving a short introduction to optics and localization microscopy, I outline sources of aberrations as frequently encountered in 3D-localization microscopy and will discuss their respective impact on the precision and accuracy of the localization process. With the knowledge from these considerations, experiments were designed and conducted to verify the validity of the conclusions and to demonstrate the abilities of the proposed microscope to resolve biological structures in the three spatial dimensions. Additionally, it is demonstrated that measurements of huge volumes with virtually no aberrations is in principle feasible. During the course of this thesis, a new method was introduced for inferring axial coordinates. This interpolation method based on cubic B-splines shows superior performance in the calibration of a microscope and the evaluation of subsequent measurement and will therefore be used and explained in this work. Finally, this work is also meant to give future students some guidance for entering the field of 3D localization microscopy and therefore, detailed protocols are provided covering the specific aspects of two color 3D localization imaging.},
  subject      = {Dimension 3},
  language  = {en}
}
@article{BerberichKurzReinhardetal.2021,
  author    = {Berberich, Andreas and Kurz, Andreas and Reinhard, Sebastian and Paul, Torsten Johann and Burd, Paul Ray and Sauer, Markus and Kollmannsberger, Philip},
  title     = {Fourier Ring Correlation and anisotropic kernel density estimation improve deep learning based SMLM reconstruction of microtubules},
  series = {Frontiers in Bioinformatics},
  volume    = {1},
  journal   = {Frontiers in Bioinformatics},
  doi       = {10.3389/fbinf.2021.752788},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-261686},
  year      = {2021},
  abstract  = {Single-molecule super-resolution microscopy (SMLM) techniques like dSTORM can reveal biological structures down to the nanometer scale. The achievable resolution is not only defined by the localization precision of individual fluorescent molecules, but also by their density, which becomes a limiting factor e.g., in expansion microscopy. Artificial deep neural networks can learn to reconstruct dense super-resolved structures such as microtubules from a sparse, noisy set of data points. This approach requires a robust method to assess the quality of a predicted density image and to quantitatively compare it to a ground truth image. Such a quality measure needs to be differentiable to be applied as loss function in deep learning. We developed a new trainable quality measure based on Fourier Ring Correlation (FRC) and used it to train deep neural networks to map a small number of sampling points to an underlying density. Smooth ground truth images of microtubules were generated from localization coordinates using an anisotropic Gaussian kernel density estimator. We show that the FRC criterion ideally complements the existing state-of-the-art multiscale structural similarity index, since both are interpretable and there is no trade-off between them during optimization. The TensorFlow implementation of our FRC metric can easily be integrated into existing deep learning workflows.},
  language  = {en}
}