Experimentelle Bildgebung

Moderne Bildgebungsverfahren für Diagnostik und präklinische Forschung

Visualisierung eines Schlaganfalls in einem 3D-Modell des Rattenhirns
© Fraunhofer IZI

Visualisierung eines Schlaganfalls in einem 3D-Modell des Rattenhirns.

3D-Modelle von Astrozyten, basierend auf immunhisto­chemischer Färbung
© Fraunhofer IZI

3D-Modelle von Astrozyten, basierend auf immunhisto­chemischer Färbung.

Nachweis von Kalzifizie­rungen in der Aorta einer Ratte bei chronischer Niereninsuffi­zienz
© Fraunhofer IZI

Nachweis von Kalzifizie­rungen in der Aorta einer Ratte bei chronischer Niereninsuffi­zienz.

Den Lebenswissenschaften steht eine Vielzahl von Bild­gebungsmethoden zur Verfügung. Die dafür eingesetzten Verfahren nutzen eine große Bandbreite des elektromagne­tischen Spektrums, das sich von kurzwelliger Röntgen­strahlung (Computertomographie) über das für den Menschen sichtbare Licht (Mikroskopie) bis zum Radio­frequenzbereich (Magnetresonanztomographie) erstreckt. Jedes dieser Verfahren kann sehr spezifisch Strukturen oder biologische Prozesse im lebenden Organismus darstellen. Dabei können Daten für eine virtuelle dreidimensionale Nachbildung (3D-Rendering) der untersuchten Strukturen gesammelt werden.

Pathologische Prozesse, wie diese zum Beispiel bei der Volkskrankheit Schlaganfall auftreten und durch die Arbeitsgruppe Kliniknahe Therapiestudien am Fraunhofer IZI untersucht werden, sind so genau quantifizierbar. Mit Hilfe der Kern­spintomographie (MRT), unterschiedlichen Kontrastverfahren und speziellen Algorithmen zur Segmentierung kann der geschädigte Bereich in vivo dargestellt werden (Bild 1). Nach Schädigung von Hirngewebe, etwa durch Hypoxie beim Schlaganfall, finden weitreichende Umbauprozesse in den betroffenen Hirnregionen statt. Um die Regeneration der jeweiligen Region mikroskopisch beschreiben zu können, wird diese immunhistochemisch markiert und mit einem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop (LSM) abgetastet. So ist es möglich, die Anzahl und Morphologie der Zellen, deren Interaktionen mit anderen Zellen und ihre Veränderungen im Zeitverlauf genau zu beschreiben (Bild 2). Die Verfahren ermög­lichen eine Quantifizierung der pathologischen Ver­änderungen nach Hirnschädigung und eignen sich damit, die Wirksamkeit von neuen Therapieverfahren zu überprüfen.

Über die Schlaganfallforschung hinaus ermöglicht die experimentelle Bildgebung weitere Krankheitsverläufe zu über­wachen. So treten bei einer chronischen Niereninsuffizienz mit fortschreitender Dauer sowohl eine Zunahme des Nierenvolumens als auch Kalzifizierungen in der Aorta auf. In einer Studie der Arbeitsgruppe Entzündungsmodelle und Immun­diagnostik konnten mit Hilfe der Computertomographie (CT) diese beiden Erkrankungsmarker diagnostiziert werden (Bild 3). Im Weiteren soll untersucht werden, wie die chronische Nieren­insuffizienz effektiver zu behandeln ist.

Zukünftig werden die genannten Kompetenzen der Arbeitsgruppe Experimentelle Bildgebung mit denen der Zell­funktionalen Bildanalyse weiter gebündelt werden und in die zentrale Einrichtung Bildgebung und Bildauswertung münden.

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

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.

Immunhistochemische Färbung von Astrozyten
© Fraunhofer IZI

Immunhistochemische Färbung von Astrozyten.

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

Gerendertes 3D-Modell aus immunhistochemisch gefärbten Astrozyten.

Bestimmung der Kolokalisation
© Fraunhofer IZI

Bestimmung der Kolokalisation.