@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}
}
@phdthesis{Franke2019,
  author    = {Franke, Christian},
  title     = {Advancing Single-Molecule Localization Microscopy: Quantitative Analyses and Photometric Three-Dimensional Imaging},
  doi       = {10.25972/OPUS-15635},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-156355},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Since its first experimental implementation in 2005, single-molecule localization microscopy (SMLM) emerged as a versatile and powerful imaging tool for biological structures with nanometer resolution. By now, SMLM has compiled an extensive track-record of novel insights in sub- and inter- cellular organization.\\ Moreover, since all SMLM techniques rely on the analysis of emission patterns from isolated fluorophores, they inherently allocate molecular information \$per\$ \$definitionem\$.\\ Consequently, SMLM transitioned from its origin as pure high-resolution imaging instrument towards quantitative microscopy, where the key information medium is no longer the highly resolved image itself, but the raw localization data set.\\ The work presented in this thesis is part of the ongoing effort to translate those \$per\$ \$se\$ molecular information gained by SMLM imaging to insights into the structural organization of the targeted protein or even beyond. Although largely consistent in their objectives, the general distinction between global or segmentation clustering approaches on one side and particle averaging or meta-analyses techniques on the other is usually made.\\ During the course of my thesis, I designed, implemented and employed numerous quantitative approaches with varying degrees of complexity and fields of application.\\ \\ In my first major project, I analyzed the localization distribution of the integral protein gp210 of the nuclear pore complex (NPC) with an iterative \textit{k}-means algorithm. Relating the distinct localization statistics of separated gp210 domains to isolated fluorescent signals led, among others, to the conclusion that the anchoring ring of the NPC consists of 8 homo-dimers of gp210.\\ This is of particular significance, both because it answered a decades long standing question about the nature of the gp210 ring and it showcased the possibility to gain structural information well beyond the resolution capabilities of SMLM by crafty quantification approaches.\\ \\ The second major project reported comprises an extensive study of the synaptonemal complex (SNC) and linked cohesin complexes. Here, I employed a multi-level meta-analysis of the localization sets of various SNC proteins to facilitate the compilation of a novel model of the molecular organization of the major SNC components with so far unmatched extend and detail with isotropic three-dimensional resolution.\\ In a second venture, the two murine cohesin components SMC3 and STAG3 connected to the SNC were analyzed. Applying an adapted algorithm, considering the disperse nature of cohesins, led to the realization that there is an apparent polarization of those cohesin complexes in the SNC, as well as a possible sub-structure of STAG3 beyond the resolution capabilities of SMLM.\\ \\ Other minor projects connected to localization quantification included the study of plasma membrane glycans regarding their overall localization distribution and particular homogeneity as well as the investigation of two flotillin proteins in the membrane of bacteria, forming clusters of distinct shapes and sizes.\\ \\ Finally, a novel approach to three-dimensional SMLM is presented, employing the precise quantification of single molecule emitter intensities. This method, named TRABI, relies on the principles of aperture photometry which were improved for SMLM.\\ With TRABI it was shown, that widely used Gaussian fitting based localization software underestimates photon counts significantly. This mismatch was utilized as a \$z\$-dependent parameter, enabling the conversion of 2D SMLM data to a virtual 3D space. Furthermore it was demonstrated, that TRABI can be combined beneficially with a multi-plane detection scheme, resulting in superior performance regarding axial localization precision and resolution.\\ Additionally, TRABI has been subsequently employed to photometrically characterize a novel dye for SMLM, revealing superior photo-physical properties at the single-molecule level.\\ Following the conclusion of this thesis, the TRABI method and its applications remains subject of diverse ongoing research.},
  subject      = {Einzelmolek{\"u}lmikroskopie},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Kurz2020,
  author    = {Kurz, Andreas},
  title     = {Correlative live and fixed cell superresolution microscopy},
  doi       = {10.25972/OPUS-19945},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-199455},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {Over the last decade life sciences have made an enormous leap forward. The development of complex analytical instruments, in particular in fluorescence microscopy, has played a decisive role in this. Scientist can now rely on a wide range of imaging techniques that offer different advantages in terms of optical resolution, recording speed or living cell compatibility. With the help of these modern microscopy techniques, multi-protein complexes can be resolved, membrane receptors can be counted, cellular pathways analysed or the internalisation of receptors can be tracked. However, there is currently no universal technique for comprehensive experiment execution that includes dynamic process capture and super resolution imaging on the same target object. In this work, I built a microscope that combines two complementary imaging techniques and enables correlative experiments in living and fixed cells. With an image scanning based laser spot confocal microscope, fast dynamics in several colors with low photodamage of the cells can be recorded. This novel system also has an improved resolution of 170 nm and was thoroughly characterized in this work. The complementary technique is based on single molecule localization microscopy, which can achieve a structural resolution down to 20-30 nm. Furthermore I implemented a microfluidic pump that allows direct interaction with the sample placed on the microscope. Numerous processes such as living cell staining, living cell fixation, immunostaining and buffer exchange can be observed and performed directly on the same cell. Thus, dynamic processes of a cell can be frozen and the structures of interest can be stained and analysed with high-resolution microscopy. Furthermore, I have equipped the detection path of the single molecule technique with an adaptive optical element. With the help of a deformable mirror, imaging functions can be shaped and information on the 3D position of the individual molecules can be extracted.},
  subject      = {Einzelmolek{\"u}lmikroskopie},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Waeldchen2020,
  author    = {W{\"a}ldchen, Sina},
  title     = {Super-Resolution-Mikroskopie zur Visualisierung und Quantifizierung von Glutamatrezeptoren und ADHS-assoziierten Proteinen},
  doi       = {10.25972/OPUS-19283},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-192834},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {Die Entwicklung hochaufl{\"o}sender Fluoreszenzmikroskopiemethoden hat die Lichtmikroskopie revolutioniert. Einerseits erm{\"o}glicht die h{\"o}here erzielte r{\"a}umliche Aufl{\"o}sung die Abbildung von Strukturen, die deutlich unterhalb der beugungsbedingten Aufl{\"o}sungsgrenze liegen. Andererseits erh{\"a}lt man durch Einzelmolek{\"u}llokalisationsmikroskopiemethoden wie dSTORM (Direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) Informationen, welche man f{\"u}r quantitative Analysen heranziehen kann. Aufgrund der sich dadurch bietenden neuen M{\"o}glichkeiten, hat sich die hochaufl{\"o}sende Fluoreszenzmikroskopie rasant entwickelt und kommt mittlerweile zur Untersuchung einer Vielzahl biologischer und medizinischer Fragestellungen zum Einsatz. Trotz dieses Erfolgs ist jedoch nicht zu verleugnen, dass auch diese neuen Methoden ihre Nachteile haben. Dazu z{\"a}hlt die Notwendigkeit relativ hoher Laserleistungen, welche Voraussetzung f{\"u}r hohe Aufl{\"o}sung ist und bei lebenden Proben zur Photosch{\"a}digung f{\"u}hren kann. Diese Arbeit widmet sich sowohl dem Thema der Photosch{\"a}digung durch Einzelmolek{\"u}llokalisationsmikroskopie, als auch der Anwendung von dSTORM und SIM (Structured Illumination Microscopy) zur Untersuchung neurobiologischer Fragestellungen auf Proteinebene. Zur Ermittlung der Photosch{\"a}digung wurden lebende Zellen unter typischen Bedingungen bestrahlt und anschließend f{\"u}r 20-24 h beobachtet. Als quantitatives Maß f{\"u}r den Grad der Photosch{\"a}digung wurde der Anteil sterbender Zellen bestimmt. Neben der zu erwartenden Intensit{\"a}ts- und Wellenl{\"a}ngenabh{\"a}ngigkeit, zeigte sich, dass die Schwere der Photosch{\"a}digung auch von vielen weiteren Faktoren abh{\"a}ngt und dass sich Einzelmolek{\"u}llokalisationsmikroskopie bei Ber{\"u}cksichtigung der gewonnenen Erkenntnisse durchaus mit Lebendzellexperimenten vereinbaren l{\"a}sst. Ein weiteres Projekt diente der Untersuchung der A- und B-Typ-Glutamatrezeptoren an der neuromuskul{\"a}ren Synapse von Drosophila melanogaster mittels dSTORM. Dabei konnte eine ver{\"a}nderte Anordnung beider Rezeptortypen infolge synaptischer Plastizit{\"a}t beobachtet, sowie eine absolute Quantifizierung des A-Typ-Rezeptors durchgef{\"u}hrt werden. Im Mittelpunkt eines dritten Projekts standen Cadherin-13 (CDH13) sowie der Glucosetransporter Typ 3 (GluT3), welche beide mit der Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivit{\"a}tsst{\"o}rung in Verbindung gebracht werden. CDH13 konnte mittels SIM in serotonergen Neuronen, sowie radi{\"a}ren Gliazellen der dorsalen Raphekerne des embryonalen Mausgehirns nachgewiesen werden. Die Rolle von GluT3 wurde in aus induzierten pluripotenten Stammzellen differenzierten Neuronen analysiert, welche verschiedene Kopienzahlvariation des f{\"u}r GluT3-codierenden SLC2A3-Gens aufwiesen. Die Proteine GluT3, Bassoon und Homer wurden mittels dSTORM relativ quantifiziert. W{\"a}hrend die Deletion des Gens zu einer erwartenden Verminderung von GluT3 auf Proteinebene f{\"u}hrte, hatte die Duplikation keinen Effekt auf die GluT3-Menge. F{\"u}r Bassoon und Homer zeigte sich weder durch die Deletion noch die Duplikation eine signifikante Ver{\"a}nderung.},
  subject      = {Mikroskopie},
  language  = {de}
}
@techreport{Gross2022,
  author    = {Groß, Lennart},
  title     = {Advices derived from troubleshooting a sensor-based adaptive optics direct stochastic optical reconstruction microscope},
  doi       = {10.25972/OPUS-28995},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-289951},
  pages     = {20},
  year      = {2022},
  abstract  = {One rarely finds practical guidelines for the implementation of complex optical setups. Here, we aim to provide technical details on the decision making of building and revising a custom sensor-based adaptive optics (AO) direct stochastic optical reconstruction microscope (dSTORM) to provide practical assistance in setting up or troubleshooting similar devices. The foundation of this report is an instrument constructed as part of a master's thesis in 2021, which was built for deep tissue imaging. The setup is presented in the following way: (1) An optical and mechanical overview of the system at the beginning of this internship is given. (2) The optical components are described in detail in the order at which the light passes through, highlighting their working principle and implementation in the system. The optical component include (2A) a focus on even sample illumination, (2B) restoring telecentricity when working with commercial microscope bodies, (2C) the AO elements, namely the deformable mirror (DM) and the wavefront sensor, and their integration, and (2D) the separation of wavefront and image capture using fluorescent beads and a dichroic mirror. After addressing the limitations of the existing setup, modification options are derived. The modifications include the implementation of adjustment only light paths to improve system stability and revise the degrees of freedom of the components and changes in lens choices to meet the specifications of the AO components. Last, the capabilities of the modified setup are presented and discussed: (1) First, we enable epifluorescence imaging of bead samples through 180 µm unstained murine hippocampal tissue with wavefront error correction of ~ 90 \%. Point spread function, wavefront shape and Zernike decomposition of bead samples are presented. (2) Second, we move from epifluorescent to dSTORM imaging of tubulin stained primary mouse hippocampal cells, which are imaged through up to 180 µm of unstained murine hippocampal tissue. We show that full width at half maximum (FWHM) of prominent features can be reduced in size by nearly a magnitude from uncorrected epiflourescence images to dSTORM images corrected by the adaptive optics. We present dSTORM localization count and FWHM of prominent features as as a function of imaging depth.},
  subject      = {Einzelmolek{\"u}lmikroskopie},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Helmerich2023,
  author    = {Helmerich, Dominic Andreas},
  title     = {Einfl{\"u}sse der Photophysik und Photochemie von Cyaninfarbstoffen auf die Lokalisationsmikroskopie},
  doi       = {10.25972/OPUS-24716},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-247161},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {In den letzten Jahren haben sich hochaufl{\"o}sende Fluoreszenzmikroskopiemethoden, basierend auf der Lokalisation einzelner Fluorophore, zu einem leistungsstarken Werkzeug etabliert, um Fluoreszenzbilder weit unterhalb der Aufl{\"o}sungsgrenze zu generieren. Hiermit k{\"o}nnen r{\"a}umliche Aufl{\"o}sungen von ~ 20 nm erzielt werden, was weit unterhalb der Beugungsgrenze liegt. Dabei haben zahlreiche Optimierungen und Entwicklungen neuer Methoden in der Einzelmolek{\"u}l-Lokalisationsmikroskopie die Genauigkeit der orstspezifischen Bestimmung einzelner Fluorophore auf bis zu ~ 1 - 3 nm erh{\"o}ht. Eine Aufl{\"o}sung im molekularen Bereich, weit unterhalb von ~ 10 nm bleibt allerdings herausfordernd, da die Lokalisationsgenauigkeit nur ein Kriterium hierf{\"u}r ist. Allerdings wurde sich in den letzten Jahren {\"u}berwiegend auf die Verbesserung dieses Parameters konzentriert. Weitere Kriterien f{\"u}r die fluoreszenzmikroskopische Aufl{\"o}sung sind dabei unter anderem die Markierungsdichte und die Kopplungseffizienz der Zielstruktur, sowie der Kopplungsfehler (Abstand zur Zielstruktur nach Farbstoffkopplung), die sich herausfordernd f{\"u}r eine molekulare Aufl{\"o}sung darstellen. Auch wenn die Kopplungseffizienz und -dichte hoch und der Kopplungsfehler gering ist, steigt bei Interfluorophordistanzen < 5nm, abh{\"a}ngig von den Farbstoffen, die Wahrscheinlichkeit von starken und schwachen Farbstoffwechselwirkungen und damit von Energie{\"u}bertragungsprozessen zwischen den Farbstoffen, stark an. Daneben sollten Farbstoffe, abh{\"a}nging von der Lokalisationsmikroskopiemethode, spezifische Kriterien, wie beispielsweise die Photoschaltbarkeit bei dSTORM, erf{\"u}llen, was dazu f{\"u}hrt, dass diese Methoden h{\"a}ufig nur auf einzelne Farbstoffe beschr{\"a}nkt sind. In dieser Arbeit konnte mithilfe von definierten DNA-Origami Konstrukten gezeigt werden, dass das Blinkverhalten von Cyaninfarbstoffen unter dSTORM-Bedingungen einer Abstandsabh{\"a}ngigkeit aufgrund von spezifischen Energie{\"u}bertragungsprozessen folgt, womit Farbstoffabst{\"a}nde im sub-10 nm Bereich charakterisiert werden konnten. Dar{\"u}ber hinaus konnte diese Abstandsabh{\"a}ngigkeit an biologischen Proben gezeigt werden. Hierbei konnten verschiedene zellul{\"a}re Rezeptoren effizient und mit geringem Abstandsfehler zur Zielstruktur mit Cyaninfarbstoffen gekoppelt werden. Diese abstandsabh{\"a}nigen Prozesse und damit Charakterisierungen k{\"o}nnten dabei nicht nur spezifisch f{\"u}r die h{\"a}ufig unter dSTORM-Bedingungen verwendeten Cyaninfarbstoffen g{\"u}ltig sein, sondern auch auf andere Farbstoffklassen, die einen Auszustand zeigen, {\"u}bertragbar sein. Dar{\"u}ber hinaus konnte gezeigt werden, dass hochaufl{\"o}sende dSTORM Aufnahmen unabh{\"a}ngig vom Farbstoffkopplungsgrad der Antik{\"o}rpern sind, welche h{\"a}ufig f{\"u}r Standardf{\"a}rbungen von zellul{\"a}ren Strukturen verwendet werden. Dabei konnte durch Photonenkoinzidenzmessungen dargelegt werden, dass aufgrund komplexer Farbstoffwechselwirkungen im Mittel nur ein Farbstoff aktiv ist, wobei h{\"o}here Kopplungsgrade ein komplexes Blinkverhalten zu Beginn der Messung zeigen. Durch die undefinierten Farbstoffabst{\"a}nde an Antik{\"o}rpern konnte hier kein eindeutiger Energie{\"u}bertragungsmechanismus entschl{\"u}sselt werden. Dennoch konnte gezeigt werden, dass Farbstoffaggregate bzw. H-Dimere unter dSTORM-Bedingungen destabilisiert werden. Durch die zuvor erw{\"a}hnten DNA-Origami Konstrukte definierter Interfluorophordistanzen konnten Energie{\"u}bertragungsmechanismen entschl{\"u}sselt werden, die auch f{\"u}r die Antik{\"o}rper diverser Kopplungsgrade g{\"u}ltig sind. Des Weiteren konnten, ausgel{\"o}st durch komplexe Energie{\"u}bertragungsprozesse h{\"o}herer Kopplungsgrade am Antik{\"o}rper, Mehrfarbenaufnahmen zellul{\"a}rer Strukturen generiert werden, die {\"u}ber die spezifische Fluoreszenzlebenszeit separiert werden konnten. Dies stellt hier eine weitere M{\"o}glichkeit dar, unter einfachen Bedingungen, schnelle Mehrfarbenaufnahmen zellul{\"a}rer Strukturen zu generieren. Durch die Verwendung des selben Farbstoffes unterschiedlicher Kopplungsgrade kann hier nur mit einer Anregungswellenl{\"a}nge und frei von chromatischer Aberration gearbeitet werden. Neben den photophysikalischen Untersuchungen der Cyaninfarbstoffe Cy5 und Alexa Fluor 647 wurden diese ebenso photochemisch n{\"a}her betrachtet. Dabei konnte ein neuartiger chemischer Mechanismus entschl{\"u}sselt werden. Dieser Mechanismus f{\"u}hrt, ausgel{\"o}st durch Singulett-Sauerstoff (1O2), zu einer Photozerschneidung des konjugierten Doppelbindungssystems um zwei Kohlenstoffatome, was zu strukturellen und spektroskopischen Ver{\"a}nderungen dieser Farbstoffe f{\"u}hrt. Auf Grundlage dieses Mechanismus konnte eine neue DNA-PAINT Methode entwickelt werden, die zu einer Beschleunigung der Aufnahmezeit f{\"u}hrt.},
  subject      = {Einzelmolek{\"u}lmikroskopie},
  language  = {de}
}