„KI wird die Mikroskopie revolutionieren“

Zeiss zählt zu den Technologieführern im Mikroskopie-Markt. Seit Herbst 2019 ist Dr. Michael Albiez Vorsitzender der Geschäftsführung der Carl Zeiss Microscopy GmbH und Leiter des strategischen Geschäftsbereichs Research Microscopy Solutions. Im Interview spricht er über die steigende Bedeutung von Software und Deep Learning Ansätzen in der Mikroskopie, über Treiber für die Vielfalt an Mikroskopie-Verfahren und den Einfluss der COVID-19-Pandemie auf den Markt für medizinische Bildgebung.

Herr Dr. Albiez, können Sie uns Zeiss bitte kurz vorstellen?

Dr. Michael Albiez: Als Carl Zeiss 1846 in Jena seine Werkstatt für optische Instrumente gegründet hat, war die Mikroskopie der erste Geschäftsbereich. Heute ist die Zeiss Gruppe ein Technologieführer der optischen Industrie mit 30.000 Beschäftigten weltweit. Davon sind 3.000 in der Mikroskopie tätig. Zeiss entwickelt neben Mikroskopie-Lösungen für Lebenswissenschaften und Materialforschung Lösungen für die industrielle Messtechnik und Qualitätssicherung, Medizintechnik, Lithographieoptik zur Herstellung von Halbleiterbauelementen sowie Brillengläser, Fotoobjektive und Ferngläser. Als Stiftungsunternehmen denken wir in langen Zeiträumen. Das versetzt uns in die Lage, Fortschritte aus der Grundlagenforschung in innovative Produkte zu übersetzen. Dabei arbeiten wir eng mit wissenschaftlichen Partnern zusammen, um Grenzen des technologisch Machbaren auszuloten. Das begann schon mit der Zusammenarbeit von Carl Zeiss mit Ernst Abbe, in der sie die Grundlagen der modernen Optik erarbeiteten und die Voraussetzungen für die Fertigung von Mikroskopen in reproduzierbarer Qualität schufen. Dieser Pioniergeist treibt uns bis heute an.

Sie leiten den strategischen Geschäftsbereich Research Microscopy Solutions. Inwiefern ist er für Zeiss strategisch?

Albiez: Die Mikroskopie ist sehr wichtig für Zeiss, weil ihr in der Optik ein besonderer Stellenwert zukommt. Die Zeiss Gruppe hat sich aus der Mikroskopie heraus entwickelt. Gerade der Bereich Research Microscopy Solutions arbeitet sehr eng mit führenden Wissenschaftlern zusammen. Viele unserer Geräte stehen in Laboren, in denen Spitzenforschung stattfindet. Zahlreiche Nobelpreisträger der letzten Jahrzehnte haben ihre Forschungen an Mikroskopen von Zeiss durchgeführt. Wir liefern Forschern jene Highend-Technik, mit der sie wissenschaftliches Neuland erschließen können. Ein gutes Beispiel dafür ist die superauflösende Mikroskopie. Bei alledem befruchten sich die Bereiche der Zeiss Gruppe gegenseitig. So etwa im Bereich der hochpräzisen Freiformoptik, der für die Mikroskopie und Medizintechnik ebenso eine Schlüsseltechnologie ist wie für Nanostrukturierung in der Halbleitertechnik.

Vom einfachen Lichtmikroskop über Konfokal-, Elektronen/Ionen- und Röntgen-Mikroskope bietet Zeiss ein sehr breites Portfolio. Worin liegen die Vorteile?

Albiez: Zeiss ist der einzige Anbieter, der dieses breite Spektrum der Mikroskopie abdeckt. Unsere Kunden profitieren von den verschiedenen Technologien, mit denen sie ihre Proben mit unterschiedlichen Modalitäten beleuchten können. Sie haben hochkomplexe Fragestellungen, die sich mit einem Verfahren allein nicht beantworten lassen. So nutzt beispielsweise die Batterieforschung mehrere Mikroskopie-Verfahren für mikro- und nanoskopische Analysen der Aktivmaterialverteilung auf Elektroden oder der Alterungsprozesse in Batterien. Das beginnt mit der zerstörungsfreien Röntgenmikroskopie, geht mit der gezielten Ansteuerung relevanter Bereiche per Elektronenmikroskop weiter, um nanometergenau an exakt der Stelle strukturelle Feinanalysen durchzuführen. Damit Anwender beim Wechsel der Verfahren sicher durch die verschiedenen Größenordnungen navigieren zu können, bieten wir Ihnen die korrelative Softwareplattform ZEN Connect für einen nahtlosen Workflow zwischen Makro-, Mikro- und Nanoskopien mit unterschiedlichen Verfahren an. Bedarf daran besteht auch in den Life-Sciences – ob Krebs- und Alzheimerforschung, Arzneientwicklung oder Pathologie. Mithilfe korrelativer Licht- und Elektronenmikroskopie auf Mikro- und Nanometerebene mit teils unterschiedlicher zeitlicher Auflösung entlocken Forscher Proben immer mehr Informationen. Dies auch, weil die verschiedenen Mikroskope jeweils an der Grenze des physikalisch Möglichen arbeiten und dabei immer speziellere Anforderungen erfüllen.

Mikroskope sind heute komplexe Systeme mit Software und Kameras. Was sind die Treiber für die zunehmende Digitalisierung in der Mikroskopie?

Albiez: Die Anforderungen an Geschwindigkeit, Auflösungen und Kontraste sind rasant gestiegen, da die Forschung immer spezifischere Fragestellungen hat. Zugleich müssen Mikroskope bedienbar bleiben und zuverlässig optimale Ergebnisse liefern. Digitalisierung ist der Schlüssel zu einem auch für Laien umsetzbaren Handling. Weil Mikroskope heute in immer mehr Nischen Anwendung finden, sind längst nicht mehr alle Anwender speziell geschult. Automatisierung und Software sorgen für effiziente Workflows. Kamerasysteme sind notwendig, da die Datenmengen exponentiell wachsen. Selbst bei einfachen Fragestellungen fallen Terabytes an. Das können Menschen nicht auswerten. Erst recht nicht in Brain Mapping-Projekten, die eine nanometergenaue Kartierung des menschlichen Gehirns zum Ziel haben. Überall, wo es um Hochdurchsatzanalysen und um nanometergenaue Analysen großer Untersuchungsbereiche geht, sind automatisierte Verfahren unverzichtbar.

Hier kommen Deep Learning Methoden ins Spiel. Wie schätzen Sie das Zukunftspotenzial der künstlichen Intelligenz in der Mikroskopie ein?

Albiez: Künstliche Intelligenz hat in der Mikroskopie enormes Potenzial. Die Bilder sind vor allem Mittel zum Zweck, um neue Antworten auf wissenschaftliche Fragestellungen zu finden, um medizinische Diagnosen zu stellen oder die Zuverlässigkeit von Bauteilen zu bewerten. Diese Antworten können neuronale Netzwerke sehr viel schneller und oft auch zuverlässiger aus riesigen Datenmengen filtern, als Menschen. Auch in der Pathologie kommen die Methoden immer öfter zum Einsatz, weil die Zahl der Untersuchungen sehr viel schneller steigt als die Zahl der Pathologen. Schnelle verlässliche Aussagen sind gefragt. Heute sind KI-Algorithmen nicht nur an der vollautomatisierten Bildauswertung beteiligt, sondern wir nutzen sie auch für die Steuerung der Mikroskope. Sie helfen Nutzern, relevante Bereiche auf Objektträgern zu finden, stellen die Optik direkt darauf scharf und sind in der Lage, anhand der Probe die richtigen Kontraste einzustellen. Und auch in der Probenpräparation sind KI-Methoden hilfreich. Teils braucht es keine Fluoreszenzfarbstoffe mehr, weil die Algorithmen relevante Informationen aus Formen und anderen Proben-inhärenten Eigenschaften gewinnen und so ein nachträgliches virtuelles Labeling umsetzen. Auch Pathologen werden ihre Proben oft nicht mehr einfärben müssen, was den Zeitaufwand und die Kosten für die chemischen Hilfsmittel minimiert. Noch befinden wir uns hier am Anfang. KI wird die Mikroskopie revolutionieren – und das betrifft sowohl das traditionelle Verständnis der Mikroskopie als auch die Entwicklung von Mikroskopen, in der sich die Schwerpunkte zunehmend von der Hardware in Richtung Software verlagern. Es gibt allerdings noch viel zu tun, gerade auch, um das Trainieren der Neuronalen Netze zu vereinfachen.

Gibt es aus Ihrer Sicht weitere spannende Technologietrends in der Mikroskopie?

Albiez: Software senkt heute in vielen Fällen den Aufwand der Hardwareentwicklung. Wo man früher auf stärkere Lichtquellen gesetzt hätte, kommt man heute dank verbesserter Softwareroutinen häufig auch mit weniger Licht aus, was obendrein den Vorteil geringerer Probenschädigung hat. Der Trend geht zum Beispiel dahin, lebende Zellen über Stunden und Tage in höchster Auflösung zu beobachten. Hier hilft KI enorm, um Aufnahmen trotz reduzierter Kontraste und Auflösung die letzten Prozentpunkte an Information zu entlocken. Grundsätzlich geht es darum, im Dreieck von Auflösung, Geschwindigkeit und Sensitivität Fortschritte zu erzielen, um in immer größeren Datenmengen immer spezifischere Antworten auf die Fragen der Wissenschaftler zu finden. Nehmen Sie die Alzheimerforschung: Hier geht es darum, große Bereiche des Gehirns in höchster Auflösung analysierbar zu machen, um Veränderungen auf mikrostruktureller Ebene zu verstehen. In sehr vielen Anwendungen suchen die Forscher Antworten auf Nanoebene um Makrostrukturen zu verstehen. Dafür braucht es automatisierte Hochdurchsatzverfahren. Ein weiterer Trend ist das Vordringen der Mikroskopie in neue Anwendungsbereiche. So etwa die personalisierte Medizin, in der zahlreiche Start-ups Verfahren für neue individualisierte molekulare Diagnosen entwickeln – und dabei moderne mikroskopische Workflows nutzen. Covid-19 ist ein zusätzlicher Treiber für diese Entwicklung. Wir haben daher in den vergangenen Monaten Virenforscher gezielt mit Knowhow und teils auch mit Leihgeräten unterstützt. Bei uns selbst haben die pandemiebedingten Einschränkungen einen Digitalisierungsschub ausgelöst: Mit Remote-Service, Webinaren oder webbasierten Trainings haben wir unsere Partner und Kunden unterstützt, so gut es aus der Ferne eben ging.

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