Zell-funktionale Bildanalyse

Arbeitsgruppe Zell-funktionale Bildanalyse
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Arbeitsgruppe Zell-funktionale Bildanalyse

Die Arbeitsgruppe »Zell-funktionale Bildanalyse« entwickelt neue, zugeschnittene bildanalytische Methoden für die zerstörungsfreie mikroskopiebasierte Quantifizierung physiologischer und pathologischer Prozesse.

 

Ziel ist es, durch die Analyse von Zellen und Gewebe, ohne deren Veränderung oder Zerstörung, die Erforschung grundlegender biologischer Zusammenhänge und Erprobung neuer Therapieverfahren zu unterstützen. Da dies eine interdisziplinäre Zusammenarbeit in den Bereichen Elektrotechnik, Optik, Bildverarbeitung, Softwareentwicklung und Biologie erfordert, ist die Fachgruppe eng an den Lehrstuhl für Biotronische Systeme der Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur (HTWK) Leipzig angebunden.

Lichtblattmikroskopieplattform

Die sogenannte Selective Plane Illumination Microscopy (SPIM) ist ein fluoreszenzmikroskopisches Verfahren. Dabei wird lediglich eine dünne Schicht in der Probe beleuchtet (i. d. R. nur wenige Mikrometer). Im Vergleich zu anderen Fluoreszenzmikroskopieverfahren, wie zum Beispiel Konfokalmikroskopie, erreicht das Lichtblattmikroskop dadurch eine minimale Schädigung durch lichtinduzierten Stress oder Bleichen. Durch die Realisierung eines multidirectional SPIM (mSPIM) besteht die Möglichkeit, die Probe in Echtzeit abwechselnd aus mehreren Richtungen zu beleuchten und somit weitere Artefakte zu eliminieren, und demzufolge die Bildqualität zu steigern.

Seit 2017 stehen das Lichtblattmikroskop und entsprechende Services neben den Arbeitsgruppen aus dem Hause auch Kunden und Partnern zur Verfügung. Die besonders probenschonende 3D-Fluoreszenzmikroskopieplattform eignet sich unter anderem dazu, das Wachstum von Organoiden, die Untersuchung von Modellorganismen oder die feingewebliche Architektur von organotypischen Kulturen als Langzeitprozess über Tage und sogar Wochen 3D-bildbasiert zu beobachten und analysieren.

 

2D & 3D Bildanalyse

  • Quantitative morphologische Analysen
    Morphologische Analysen können z.B. für das Grading von Prostata- und Zervixkarzinomen eingesetzt werden. Weiterhin lässt sich die Invasion von Zervix- und Basalkarzinomen untersuchen, follikuläre Lymphome können toponomisch beschrieben und das Wachstum von Astrozyten kann vermessen werden. Besonderes Augenmerk liegt auf effektiven Algorithmen und deren Implementation, z.B. mittels der Diskreten Kompaktheit, und der Einbeziehung von explizitem pathophysiologischem Wissen.

 

  • Machine Learning & Big Data
    Immer größer werdende Datensätze und komplexere Fragestelllungen verlangen bei Befundung oder experimenteller Bildauswertung einen hohen Zeit- und Personalaufwand. Mit Methoden des Maschinellen Lernens verringert sich dieser Aufwand erheblich und bietet robuste Ansätze zur Teilautomation in der Bildauswertung.

 

  • Echtzeit Zell-Tracking
    Die Aufnahme von Zeitserien, beispielsweise am Konfokalmikroskop aufgenommen, gehört zum State-of-the-Art der Mikroskopie. Die Auswertung dieser Datensätze bezieht auch die Dimension der Translokation ein. So können sich Zellen oder Zellverbünde über Zeitschritte hinweg bewegen. Die Nachverfolgung dieser Bewegung erfolgt mit Tracking-Algorithmen, welche die Zeitserien durchlaufen und Spuren der Zellbewegung erfassen und sichtbar machen. Weiterhin lassen sich so Aussagen über die Motilität und Vitalität von Zellen treffen.

 

  • Statistische Analysen
    Die Analyse räumlicher Muster ist eine Fragestellung, die in diversen naturwissenschaftlichen Konstellationen einen Zugang zum Verständnis des jeweiligen architekturellen und strukturellen Aufbaus aus Einzelagenten bietet, in der Botanik (Pflanzen) ebenso wie in der Physiologie (Zellen). So können Ballung und Wahrscheinlichkeiten dieser dargestellt und Güteparameter für Ähnlichkeiten festgelegt werden.


     
  • CT & µCT-Analyse
    Die zerstörungsfreie, effiziente Analyse von Materialproben gewinnt eine immer größere Bedeutung für Material- und Prozessuntersuchungen. Die mittels der Computertomografie (CT & µCT) erhobenen zweidimensionalen Schnittbilder werden zu einem 3D-Bilddatensatz (Gigavoxel) rekonstruiert und im Anschluss quantitativ und morphologisch analysiert. Die Einsatzgebiete der mikrostrukturbasierenden Beurteilung erstrecken sich dabei von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen bis hin zu Kunststoffen. Die Analyseergebnisse können für weiterführende Prozesse, wie dem Qualitätsmanagement sowie für die Modellbildung (Finite-Elemente-Methode - FEM), genutzt werden.


     
Echtzeit Zell-Tracking
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Echtzeit Zell-Tracking

Statistische Analysen
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Statistische Analysen

Analyse Faserstruktur
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Analyse Faserstruktur

Labor- und Prozessdigitalisierung/automatisierung

Die zunehmende Digitalisierung hält einen immer stärkeren Einzug in nahezu allen Lebensbereichen. Auch im Laboralltag besteht ein stetig steigender Anspruch auf innovative Applikationen. Durch eine intelligente und automatisierte Laborgestaltung können Arbeitsabläufe optimiert sowie die Effizienz und die Sicherheit des Prozesses gesteigert werden. Der Einsatz einer geeigneten digitalen, modularen Vernetzung vereinfacht zudem die Laborabläufe und die damit verbundene Dokumentation.

Steuer-, Regelungs- und Automatisierungstechnik

Erfolgreiche Mikroskopie-Plattformen bedürfen einer komplexen Steuerung aller Komponenten, um reproduzierbare Ergebnisse zu gewährleisten sowie einer für den Endanwender leicht bedienbaren Software. Für das eigens entwickelte Lichtblatt-Mikroskop (SPIM) wurde eine modulare Software mit höchstem Automatisierungsgrad bei möglichst geringer Anwendungskomplexität realisiert. Durch die softwareseitige Erstellung von versuchsspezifischen Protokollen, welche jederzeit wieder als Presets geladen werden können, ist eine hohe Reproduzierbarkeit gegeben. Weiterhin kann jedes Mikroskopiebild mit in Echtzeit erfassten Parametern, wie z.B. Position, Temperatur, lokale pH-Werte und  Partialdrücke (Smartkapilar), hinterlegt werden. Dies ermöglicht eine enorme Analysevielfalt der erhobenen Bilddaten. Aufgrund des modularen Charakters können neue Auswertealgorithmen jederzeit in die Software integriert sowie die daraus resultierenden Ergebnisse in den Prozessablauf einbezogen oder für Dokumentationszwecke separat exportiert werden.