Unsere Methoden

Mit Licht durch das Gewebe

Was ist das?

Mit der Fluorsezenzbildgebung können kleinste Mengen eines Farbstoffes im lebenden Organismus gemessen werden. Dies ist besonders hilfreich, um zu sehen, wie sich z.B. (markierte) Zellen, Bakterien oder Antikörper im Körper verteilen. Während die Empfindlichkeit sehr hoch ist (wenige Moleküle reichen aus), ist dir räumliche Auflösung leider begrenzt. Hier kann Schnittbildgebung, die Tomographie, helfen, bei welcher von verschiedenen Seiten gemessen wird, um ein dreidimensionales Bild zu erhalten.

Wie funktioniert das?

Das biologische Gewebe wird mit Licht angestrahlt und danach "fotograhiert". Dabei nutzen wir meistens Farbsstoffe mit roten und nahe infraroten Spektralbereichen, weil dieses Licht ausreichend tief eindringen kann. Das biologische Gewebe streut und absorbiert die Strahlen abhängig von seiner Beschaffenheit, was naturgemäß die Auflösung mit zunehmender Durchdringungstiefe beeinflusst. Allerding kann von verschiednen Seiten gemessen werden, so dass eine gewisse 3D Auflösung erziehlt werden kann.

Was bringt uns das?

Mit Hilfe der FMT können wir zelluläre und molekulare Ereignisse bei krankem Gewebe, beispielsweise bei Tumoren, untersuchen. Aber wir können die Methode auch verwenden, um die Zielgenauigkeit und Wirksamkeit von Medikamenten in lebenden Objekten zu testen. Wir haben viel Erfahrung mit fluoreszierenden Wirkstoffen zur Behandlung und Vorbeugung von Osteoporose, um Veränderungen im Knochenstoffwechsel zu verstehen. Außerdem erforschen wir Entzündungsreaktionen weißer Blutkörperchen auf Titanimplantaten. Für die Neurochirurgie des UKSH erforschen wir ein neuartiges Implantat, das Medikamente im Körper freisetzen kann.

Welche Geräte oder Programme haben wir zur Verfügung?

• Fluoreszenstomografische Bilder können wir in vivo mithilfe des IVIS LUMIA III (2022) sowie des FMT 2500 (beide PerkinElmer, Waltham, MA, USA) aufnehmen.
• Hochauflösende Bilder auch von dickeren Proben liefert das  Leica THUNDER Imager 3D Tissue
• EPI-Fluorescens und Biolumineszens misst unsere NightOWL II by Berthold Technologies (Bad Wildbad, Germany).

Der Ton macht das Bild

Was ist das?

Das Prinzip bei der Photoaktustik steckt schon im Namen. Wir nutzen „Photo“, also Licht, und „Akustik“, also Signale, um am Ende ein Bild zu erzeugen. Mit der Photoakustik können wir verschiedene Strukturen und Funktionen im Körper sichtbar machen. Beispielsweise lassen sich so Verläufe von Blutgefäßen, aber auch die Sauerstoffsättigung im Blut bestimmen.

Wie machen wir das?

Hinter der Photoakustik steckt ein Phänomen, dass jeder aus seinem Alltag kennt: Legt man Metall in die Sonne, wird es warm. In der Photoakustik nehmen Moleküle im Körper Lichtenergie auf und setzen diese in Wärme um. Dadurch dehnen sich die Moleküle minimal aus und schicken eine Druckwelle in ihre Umgebung. Diesen Impuls können wir mit einem Ultraschallgerät messen und damit Rückschlüsse auf das Ursprungsgewebe ziehen. Da jedes Molekül Licht verschiedener Wellenlängen unterschiedlich stark absorbiert, können wir mit Hilfe der Photoakustik verschiedene Stoffe im Körper identifizieren.

Was bringt uns das?

Bisher kam die Photoakustik vor allem bei Weichteilgeweben zum Einsatz. Wir können aber auch den Markraum eines Mausknochens darstellen. Außerdem setzen wir die Methode bei Entzündungsreaktionen ein. Weil wir auch Kontrastmittel einsetzen können, lassen wich akut und chronisch entzündete Darmgewebe von Mäusen erkennen. Aber auch Gefäßverläufe in Echtzeit-Bildern. Damit können wir Rückschlüsse auf die Blutversorgung ziehen. Außerdem sehen wir das Herz in 4D. Heißt: Wir beobachten das Organ in 3D über einen längeren Zeitraum – und das ist unsere 4. Dimension.

Welche Geräte oder Programme haben wir zur Verfügung?

Im MOIN-CC steht ein Vevo® LAZR von Visual Sonics bereit, der auf der Vevo® 2100 platform für kombinierte optische und ultraschall-basierte Bildgebung besiert. Das System bietet eine Auflösung von bis zu 45µm in Echtzeit bei 740 Bildern pro Sekunde.

Zur Zeit wird es am MOIN-CC in verschiedenen Kooperationsprojekten eingesetzt, etwa für die Endzündungs- und Tumorbildgebung, weiterhin auch zur Darstellung von Sauerstoffversorgungsvorgängen im Gewebe. Weiterhin arbeiten wir am MOIN-CC mit fluoreszenz-markierten Bakterien, die etwa das Wachstum in Organen sichtbar machen.

Das Elektronen-Spin-Resonanz (ESR) Spektrometer dient im Gegensatz zur den weit verbreiteten Kern-Spin-Resonanz (NMR) Spektrometern der Detektion von Elektronenspins und nicht der Kernspins. Insgesamt lässt sich durch das ESR Spektrometer eine hohe Dichte an Informationen über die Struktur der Probe und die Moleküldynamik gewinnen. Dass ESR trotzdem wenig verbreitet ist, liegt vor allem an der relativen Seltenheit der für die Messung notwendigen ungepaarten Elektronen.

Der Ausgangspunkt für detaillierte Bilder

Was ist das?

Die Kernspinresonanzspektroskopie (engl. Nuclear magnetic resonance - NMR) ist eine der am häufigsten verwendeten und wirksamsten Methoden zur Untersuchung chemischer Systeme. Wir erzeugen mit Hilfe eines Magneten Bilder, um die Struktur und die Wechselwirkungen von Molekülen in Lösung zu bestimmen. Das zeigt uns Prozesse im biologischen Gewebe. Daher können wir die NMR-Spektroskopie auch zur Identifizierung eines bestimmten Moleküls verwenden. Das physikalische Funktionsprinzip der NMR-Spektroskopie gleicht im Grunde dem der in Krankenhäusern verwendeten Magnetresonanztomographie (MRT).

Wie machen wir das?

Moleküle bestehen aus Atomen mit einer bestimmten Ausrichtung im Kern – dem sogenannten Spin. Diese Ausrichtung kann sich durch einen Magneten ändern. Befinden sich Moleküle in einem äußeren Magnetfeld, wechselwirken ihre Kernspins mit dem Magnetfeld und richten sich an ihm aus. Jedes Signal im NMR-Spektrum hat eine spezifische Linienform und Linienbreite, die uns die Dauer der Spin-Reaktion aufzeigt und so ein Bild erzeugt.

Was bringt uns das?

In den meisten Fällen ist die NMR der Schritt vor dem nächsten Schritt. Denn ein Schwachpunkt der MR-basierten Methoden ist sie sehr geringe Sensitivität. Das heißt, dass wir Moleküle, die nur in geringer Konzentration vorhanden sind, nur schwer oder gar nicht nachweisen können. Die Hyperpolarisationstechnik kann diese Schwäche überwinden, sodass wir auch Moleküle mit geringer Konzentration innerhalb von Sekunden nachweisen können. Dabei markieren wir die Moleküle und machen sie so sichtbar. So können wir beispielsweise molekulare Strukturen und Wechselwirkungen pharmazeutischer Substanzen untersuchen.

Welche Geräte oder Programme haben wir zur Verfügung?

• Hochauflösende NMR Spektrometer: 9.4 T / 400 MHz NMR und mikro-MRT "WB400" von Bruker, 1.5 T / m Gradienten für die Bildgebung.
  • Temeraturkontrolle
  • Lebenzeichenüberwachung
  • 5 mm smartProbe, 10 mm Breitbandspule, 25 mm Spulen: 1H/13C, 1H/2H
• Desktop NMR Spektrometer: 1T Spinsolve 13C und Spinsolve 15N ultra, Magritek

Mit quantenmechanischen Trick der Lungenfuktion auf der Spur

Was ist das?

Bilder von Luft sind nicht einfach zu machen - auch nicht für das MRT. Dabei ist die Bildgebung der Lunge häufig äußerst wichtig, um eine Krankheit festzustellen oder die Heilung zu beobachen.  Auch hier hilft die Hyperpolarisierung: Mit quantenmechanischen Tricks können wir verschiedene Gaase, z.B. Xenon, im MRT zum leuchten bringen. Wenn man dieses "hyperpolarisierte" Gas nun einatmet, gelingen hervorangende Bilder von der Lunge - wir können nicht nur sehen, wo das Gas hingeht (Ventilation), sondern auch, wie sehr es ins Gewebe aufgenommen oder an die roten Blutkörperchen angelagert wird. Auch die Mikrostruktur der Lungenbläschen kann gemessen werden - Eigenschaften, die diese Methode, welche nur an wenigen Zentren weltweit vefügbar ist, einmalig machen.

Wie machen wir das?

Um das Edelgas sichtbar zu machen, müssen wir es "polarisieren" - das bedeutet, dass wir die Kernspins des Gases ausrichten müssen. Das machen wir mit einem leistungsstarken Laser, der zunächst Rubidum, dann Xenons polarisiert – sie also so verändert, dass sie im MRT "leuchten". Dieses sogenannte hyperpolarisierte Gas bringen wir anschließend in einer Plastiktüte zum Patienten. Der atmet das Gas vor der MRT Untersuchung dann ein.

Aufbau des Xenon-Polarisators: Die Hauptbestandteile sind: (1) QPC Ultra-500 180 W Laserdiode; (2) Kontrolleinheit: Vakuumventil, Zelldruckventil, Durchflussventil, Ofentemperaturventil, Leistungszufuhr für die Diode und Diodenkühlung; (3) Spulen für das elektromagnetische Feld; (4) Optische Bahn mit Linse; (5) Gasverteiler; (6) Optische Kammer zur Hyperpolarisierung; (7) Stromzufuhr und Kontrolleinheit, Vakuumpumpe; (8) Wasserkühlung; (9) Optisches Spektrometer zur Laserdetektion.

Was bringt uns das?

Wir setzen polarisiertes Xenon zum einen in der Medizinforschung ein. Unser langfristiges Ziel ist es, dass diese Untersuchungsmethode auch bei klinischen Studien eingesetzt wird. Prof. Wild, ein Experte der Xenon-Bildgebung der Lunge von der Universität Sheffield, hat dieses Verfahren mitentwickelt. Xenon eignet sich aber auch hervorragend, um Gasflüsse zu untersuchen – also wie sich Gase in bestimmten Umgebungen verhalten. Das hilft uns Gasphasenreaktionen in großen Reaktoren zu verstehen. Außerdem ist Xenon aufgrund seiner Eigenschaft die Umgebung als große polarisierbare Elektronenwolke „zu fühlen“ einzigartig. Wir können damit kleinste Räume und Kanäle bei festen Stoffen untersuchen, weil wir sie sichtbar machen können.

Welche Geräte und Programme haben wir zur Verfügung?

• Spin exchange optical pumping (SEOP) Polarisator der FA. Polaris, Sheffield, UK, für die Herstellung von hyperpolarisiertem Xenon technischer und medizinischer Qualität.

Histologie: Der Standard in Forschung

Was ist das?

Ob Krankheitsverläufe oder Therapiefortschritt: Um zu sehen, was sich in Lebewesen verändert, kann uns die Histologie helfen – eine Methode, die es in Forschung und Klinik schon seit Jahrhunderten gibt. In der Histologie entnehmen wir hauchdünne Proben, z.B. von Gewebe, und untersuchen diese unter dem Mikroskop. Das machen wir im Laufe der Zeit immer wieder und schauen, was sich in den Proben verändert.

Wie machen wir das?

Nach der Entnahme machen wir die Proben haltbar. Dafür entwässern wir sie und binden sie z.B. in Paraffin oder Methacrylat. Anschließend schneiden wir die Proben in Mikrometer dünne Scheiben und befestigen sie auf einer Glasscheibe. Bei Gewebeproben kann es manchmal sein, dass wir sie vorher in flüssigem Stickstoff schockfrieren müssen, um sie so besser schneiden zu können. Im weiteren Schritt geht es darum, Zellen, Zellkerne oder einzelne Gewebearten mit Hilfe von Farbstoffen sichtbar zu machen. Dafür nutzen wir entweder chemische Farben oder Antikörper, die Strukturen in den Proben binden können. Diese Antikörper können wir mit einem Kontrastmittel einfärben, um so einzelne Strukturen sichtbar zu machen.

Was bringt uns das?

Ob Tumorlast oder Eisengehalt: Unter dem Mikroskop sehen wir alles. Auch, ob und wie gut Therapien an Versuchstieren anschlagen. Dafür können wir sogar Knochen untersuchen. Weil das Verfahren aber aufwendig ist, arbeiten wir dabei mit anderen Instituten zusammen. Aber wir können auch menschliches Gewebe untersuchen, um zu schauen, ob unsere Erkenntnisse bei Tieren übertragbar sind. Außerdem können wir mit der Histologie überprüfen, wie gut oder schlecht neue Messverfahren funktionieren.

Welche Geräte oder Programme haben wir zur Verfügung?

• Ein Leica Thunder Tissue 3D Imager, ein inverses Flueoreszenzmikroskop mit einer variablen Anregungswellenlänge von 365nm bis 770nm. Aufnahmefilter stehen für TAPI, GFP, TexasRed, Cy5 und Cy7 bereit.
• Ein automatisiertes Rotationsmikrotom Leica Histocore AUTOCUD
• Parafinausgiessstation SLEE MPS P1.

In der Sektion Biomedizinische Bildgebung werden Methoden der Bildanalyse mit und ohne Künstlicher Intelligenz entwickelt. Diese Methoden stehen dann am MOINCC und die Kooperationsprojekte zur Verfügung. Die Forschung in diesem Bereich läuft im intelligent imaging lab - dem i²lab, und das findet sich hier:

Zum Webauftritt des Intelligent Lab Teams

Image Registration

Image registration is an iterative technique where one image is fitted onto another image of the same structure or location using a combination of rotations and translations in 2D or 3D space. Image registration can be applied to images of the same modality at multiple time-points to quantify local structural change (longitudinal or single-modal registration), or can be applied to two images obtained from different modalities at the same time point to link two signals to the same location (multi-modal registration). At MOIN-CC, image registration procedures are developed for both of these applications.

Longitudinal Registration

A registration procedure has been developed to register in vivo micro-CT images in order to produced time-lapse images for the quantification of bone formation and resorption, and to assess the severity of metastatic lesions. The programs have been custom-built in ScancoMedical’s image processing language (IPL) and Matlab.

Multi-modal Registration

Using the software Amira, micro-CT images are registered with fluorescent images to link functional information to specific skeletal locations. For example the kinetic uptake of fluorescent bisphosphonates can be linked to regions of high or low bone tissue mineral density. This has been studied in a MOIN-CC project to develop a method for localized bone turnover quantification using binding kinetics.

Welche Geräte und Programme stehen zur Verfügung?

• StructuralInsight
• MOIN-Spin-library