Experimentelle Bildgebung

Im Zuge der ständigen Verbesserung der technischen Methoden stehen für biologische Untersuchungen immer neue Bildgebungsverfahren und Auswertemethoden zur Darstellung von Strukturen und Prozessen zur Verfügung. Durch eine parallele Spezialisierung der meisten Forschungsbereiche fehlen jedoch den meisten Wissenschaftlern für eine intensive Auseinandersetzung mit den Grenzen und Möglichkeiten dieser neuartigen Verfahren sowohl Zeit, Erfahrung als auch Detailkenntnisse. Das Potenzial moderner bildgebender Verfahren bleibt daher häufig ungenutzt.

Der Bereich der experimentellen Bildgebung vereint deshalb Kenntnisse über verschiedene Bildgebungsverfahren mit profunden Kenntnissen der angewanden Lebenswissenschaften. Der Fokus der Arbeitsgruppe liegt dabei auf der Erarbeitung von bildgeberischen Lösungen zu wissenschaftlichen Aufgabenstellungen mit und für Partner aus Forschung und Industrie.

Weiterhin sind zur Bedienung und Wartung des Geräteparks und zur Sicherstellung von modernen Qualitätssicherungsverfahren ein erhebliches Fachwissen und Ressourcen notwendig, die durch die Arbeitsgruppe sichergestellt werden können. Die am Fraunhofer IZI verfügbaren Technologien zur experimentellen Bildgebung umfassen:

  • Spezialisierte Fluoreszenz- und Laser-Scanning-Mikroskopie
  • Hochfeld 7T-Magnetresonanztomographie im Kleintierscanner
  • Biolumineszenz- und Biofluoreszenz-Imaging am BioImager
  • Stereologische und objektbasierte Auswertesysteme

Angebote der Arbeitsgruppe Experimentelle Bildgebung

Hochfeld MRT-Untersuchungen im Kleintier

Die magnetresonanztomographische Untersuchung (MRT) ist eine der wichtigsten diagnostischen Maßnahmen bei Untersuchungen am lebenden Tier. In Zusammenarbeit mit der Klinik für Diagnostische Radiologie der Universität Leipzig führt die Arbeitsgruppe Untersuchungen an 1,5- und 3-Tesla-Systemen durch. Für hohe Auflösungen kann auf einen 7T-Kleintierscanner zurückgegriffen werden. Das Methodenspektrum ist sehr breit aufgestellt und umfasst die meisten Standardsequenzen. Diese können bei Bedarf an die Aufgabenstellung angepasst werden.

Biolumineszenz- und Biofluoreszenzbildgebung

Grundlage dieser Technologie ist die Erfassung von photochemischen Lichtemissionen selbst leuchtender oder angeregter Fluoreszenzfarbstoffe am lebenden Tier. Am häufigsten wird hierfür ein Vektor für das Enzym Luciferase genetisch in die zu untersuchende Zelle eingebracht und diese durch Zugabe von Luciferin zur Lichtemission angeregt. Wenn die so markierten Zellen nun in ein Kleintier appliziert werden, können sie ab einer gewissen Konzentration durch eine hochsensitive CCD-Kamera in vivo auch über längere Zeiträume detektiert werden. Das hierfür benutzte IVIS Spectrum Imaging System zeigt eine hohe Sensitivität im Untersuchungsbereich von 400–900 nm.

Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie

3D-Darstellung der Narbenbildung nach einem Schlaganfall
© Foto Fraunhofer IZI

3D-Darstellung der Narbenbildung nach einem Schlaganfall.

Die qualitative und quantitative Analyse von fluoreszenzgefärbten Proben wird in der Arbeitsgruppe mit einem konfokalen Mikroskop (Zeiss LSM 710) durchgeführt. Diese Mikroskoptechnologie erlaubt die überlappungsfreie Aufnahme von spezifischen Signalen in Geweben oder Zellkulturen. Für die Nachbearbeitung und 3D-Bildanalyse wird die Bildakquise durch das komplexe Softwarepaket IMARIS ergänzt.

Stereologie

Stereologische Zählungen gelten als Goldstandard für fehlerfreie quantitative Analysen in Geweben. Durch den Einsatz unterschiedlicher Algorithmen können Objekthäufigkeiten, Oberflächen, Volumina, sowie Strukturlängen und -verzweigungsgrade quantifiziert werden.

Bildgebende Untersuchung mit klinischen Scannern und deren Auswertung

3D-Rekonstruktion von Haut und Knochen eines Schafkopfs basierend auf einem CT-Datensatz
© Foto Fraunhofer IZI

3D-Rekonstruktion von Haut und Knochen eines Schafkopfs basierend auf einem CT-Datensatz.

Zusammen mit Partnern der Universität Leipzig wurden die meisten humanmedizinisch etablierten Bildgebungstechniken für Untersuchungen an Großtiermodellen angepasst. Dies betrifft sowohl anatomische (Computertomographie) als auch anatomisch-funktionelle (Magnetresonanztomographie) Untersuchungen. Darüber hinaus können Stoffwechselvorgänge mittels Positron-Emission-Tomographie visualisiert werden. Verschiedenste quantifizierende Auswerteroutinen erlauben eine exakte Beurteilung der Veränderung.

Magnetresonanztomographische Beschreibung der Infarktentwicklung nach Schlaganfall in der Ratte

Um eine effektive Schlaganfalltherapie wissenschaftlich zu beschreiben, bedarf es verschiedener Surrogatparameter. Eines der in der Literatur häufig benutzten Quantifizierungverfahren bestimmt die zeitliche Veränderung der Schlaganfallausdehnung im lebenden Tier. Dazu werden vor allem magnetresonanztomographische T2-gewichtete Sequenzen erhoben und anschließend eine volumetrische Berechnung des betroffenen Hirnareals vorgenommen. Bisher erfolgten diese Analysen mit einem 1,5T MR Scanner. Bei Untersuchungen im Kleintier konnte dabei aber nur eine beschränkte Auflösung erreicht werden. Durch den Einsatz von Hochfeld MRI mit bis zu 7 Tesla Feldstärke kann diese Auflösungsbeschränkung erheblich verbessert werden. Neben den Untersuchungen zur Entwicklung des Schlaganfalls sind natürlich auch weitere Surrogatparameter am lebenden Tier bestimmbar.

Stereologische Auswertung der Diaschisis nach Schlaganfall in der Ratte

Nach einem Schlaganfall treten neben dem primären Infarktgebiet auch Schädigungen in weiter entfernt liegenden Regionen des Gehirns auf. Dieser Vorgang wird als Diaschisis bezeichnet. So kommt es z.B. nach ischämischer Schädigung im primären sensomotorischen Kortex durch axonale Faserverbindungen zu einem selektiven Absterben von Zellen im weiter entfernt liegenden ventralen posterioren Nukleus des Thalamus. Im Zuge des Projekts wurde die Anzahl von sekundär geschädigten Neuronen in diesem Kerngebiet bestimmt. Die genaue Quantifizierung erfolgte durch eine stereologische Auswertung mit dem Programm Stereoinvestigator von MicroBrightField. Damit konnten Aussagen über die Gesamtanzahl der abgestorbenen Neuronen in der definierten Region getroffen werden. Eine stereologische Auswertung wird von immer mehr wissenschaftlichen Verlagen als Goldstandard für Quantifizierungen gefordert.

Untersuchungen zur Verteilungskinetik nach Zelltransplantation in der Ratte

Eine der primären Fragen nach Applikation von Zellen betrifft den Verbleib der Zellen im Empfängerorganismus. Zur Beantwortung dieser Frage stehen derzeit verschiedene Verfahren zur Verfügung die meist mit der Markierung der zu untersuchenden Zellen einhergehen. Im Fall dieses Projekts erfolgte die Markierung von Tumorzellen durch eine Luciferasevektor. Nach Gabe von Luciferin kommt es in den betreffenden Zellen zu einer photochemischen Reaktion die im Biolumineszenz-Imager dargestellt werden kann. So konnte gezeigt werden, dass sich die betreffende Zellpopulation nach intravenöser Gabe in der Lunge anreichert und später wahrscheinlich weiter umverteilt.

Quantifizierungen von Gliazellen nach Hirngewebsschädigung

Immunhistochemische Färbung von Astrozyten
© Foto Fraunhofer IZI

Immunhistochemische Färbung von Astrozyten.

Gerendertes 3D-Modell aus immunhistochemisch gefärbten Astrozyten
© Foto Fraunhofer IZI

Gerendertes 3D-Modell aus immunhistochemisch gefärbten Astrozyten.

Bestimmung der Kolokalisation
© Foto Fraunhofer IZI

Bestimmung der Kolokalisation.

Nach Schädigung von Hirngewebe durch Trauma oder Hypoxie finden weitreichende Veränderungen in den be­troffenen Hirnregionen statt. Die Umbauprozesse betreffen nicht nur die vulnerablen Nervenzellen, sondern auch das Binde- und Stützgewebe des Gehirns. Diese, von Rudolf Virchow als Glia (griechisch für »Leim«) bezeichneten Zellen, haben sehr unterschiedliche Aufgaben zu erfüllen. Sie um­geben die Nervenzellen und versorgen diese mit Nährstoffen, wirken an der Informationsweiterleitung mit und halten die Homöostase im Hirn aufrecht.

Nach Hirnschädigung kommt es bei bestimmten Gliazellen zu einer Vergrößerung der Zellen (Hypertrophie) und einer Zellzahlerhöhung (Hyperplasie). Dies kann soweit führen, dass auf histologischen Färbungen keine Unterscheidung von bestimmten Gliazellen (wie zum Beispiel sogenannter Astrozyten) möglich ist, da sie ein dichtes Netzwerk aus Zellkörpern und sich überlagernden Fortsätzen bilden. Um die Zellen trotzdem beschreiben zu können, werden im Fraunhofer IZI Verfahren angewendet, die sie in abgrenzbare dreidimensionale Objekte umwandeln. So ist es möglich, die Anzahl der Zellen, ihre Morphologie, die Interaktionen mit anderen Zellen und ihre Veränderungen im Laufe der Zeit quantitativ zu beschreiben. Das betroffene Gewebe wird dazu immunhistochemisch gefärbt und mit einem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop abgetastet. Der entstehende Datensatz wird bearbeitet und in eine 3D-Struktur gerendert. Dann können Überschneidungen (Kolokalisierung) von ausgewählt gefärbten Zellen aufeinander projiziert und damit einzelne Zellen und Zellteile segmentiert werden. Bei der anschließenden Zählung kann so genau festgelegt werden, welche Segmente erfasst oder ausgeschlossen werden sollen.

Dieses Verfahren ermöglicht eine genaue Quantifizierung der pathologischen Veränderungen nach Hirnschädigung und eignet sich damit, die Wirksamkeit neuer Therapieverfahren zu überprüfen. Natürlich können nicht nur die erwähnten Astrozyten analysiert werden, sondern jede beliebige Zelle in jedem beliebigen histologischen Schnitt. Derzeit wird das Verfahren angepasst, um Mikroglia und Nervenzellinteraktionen genauer zu beschreiben.

  • Nuvo Research GmbH
  • Universität Leipzig, Klinik für Nuklearmedizin
  • Universität Leipzig, Klinik für Radiologie
  • Universitätsklinikum Leipzig AöR, Department für Innere Medizin, Neurologie und Dermatologie, Klinik und Poliklinik für Dermatologie, Venerologie und Allergologie, Forschungsgruppe Haut
  • University of Massachusetts

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