Hintergründe & ausgewählte Publikationen

In den 1880er Jahren wurden durch die Gebrüder Curie die piezoelektrischen Schallwellen erstmalig beschrieben, die Grundlage für die heutige Sonographie (Curie et al. 1880). Während „Ultraschallwellen“ zunächst militärische Zwecke (Echolot) erfüllten, konnten diese bereits ab Mitte des 20. Jahrhunderts den Einzug in die Medizin feiern (Dussik 1942, Donald et al. 1958). Die B-Bild Sonographie zeichnet sich bis heute insbesondere durch die exakte morphologische Darstellung von Geweben aus, die Interpretation obliegt jedoch meist dem Untersucher. In der Kinder- und Jugendheilkunde ist der Stellenwert der Sonographie besonders groß. Die nichtinvasive, schnelle und zielgenaue Diagnostik ist für viele klinische Fragestellungen Mittel der Wahl (Regensburger et al. 2019). Neuere Methoden, wie die Acoustic Radiation Force Impulse (ARFI) Elastographie, erlauben auch quantitative Analysen, beispielsweise die Messung der Lebersteifigkeit als Surrogatparameter für die Leber Fibrose bei Patienten mit Cystischer Fibrose (Schnell et al. 2023). Der Einsatz von intravenös applizierten Kontrastmitteln erlaubt es, weitere, teils sehr komplexe Fragestellung in der pädiatrischen Sonographie zu lösen (Knieling et al. 2016). Durch die off-label Anwendung bei Säuglingen konnte beispielsweise eine transfontanelläre Darstellung und Quantifizierung der Hirnperfusion während komplexer kinderherzchirurgischer Operationen an der Herz-Lungen-Maschine erfolgen (Knieling et al. 2020, Knieling et al. 2022, Rüffer et al. 2022) (Video). Neue Möglichkeiten der KI unterstützten Auswertung und Nachverfolgung von einzelnen Kontrastmittelbläschen erlaubt einzigartiges „super-resolution imaging“ (Ultrasound-Localization Microscopy, ULM ) (Errico et al. 2015). Dies kann genutzt werden um beispielsweise kleinste Gefäße bei Neugeborenen mit Schlaganfall oder nach Gefäßinterventionen zu charakterisieren (Video).

In den 1880er Jahren wurden durch Alexander Graham Bell (Bell 1880) erstmalig der photoakustische Effekt beschrieben. Die Nutzung des photo- oder optoakustischen Effekts zur Bildgebung und Anwendung am Menschen wurde erstmals in den 1990er Jahre beschrieben (Oraevsky 1994). Der Einsatz von darauf basierenden Nachfolgetechnologien, wie der Multispektralen Optoakustischen Tomographie (MSOT), werden dagegen erst seit den 2010er Jahren intensiver verfolgt. MSOT vereint die Vorteile von optischer (Kontrast) und akustischer (Eindringtiefe) Bildgebung. So lassen sich durch die Nutzung von Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen verschiedene Moleküle bzw. Chromophore (z.B. Hämoglobin, Fett, Wasser, Kollagen und Melanin) anregen. Dies führt zu einer thermoelastischen Expansion mit anschließender Aussendung von Druck- bzw. Ultraschallwellen, die mit derselben Untersuchungseinheit detektiert und schlussendlich sichtbar und quantifiziert werden können (Ntziachristos et al. 2010, Tzoumas et al. 2014). Dieser molekulare Bildgebungsansatz ermöglicht eine völlig neuartige Bewertung von Gewebeveränderungen bei unterschiedlichsten Erkrankungen. Da sich im Bereich des eingestrahlten Nahinfrarotlichts insbesondere Hämoglobin zur Detektion mittels OAI eignet, lag der Schwerpunkt vieler präklinischer als auch klinischer Pilotstudien bei entzündlichen (Regensburger et al. 2021), kardiovaskulären, onkologischen und muskulären Erkrankungen (Attia et al. 2019). Insbesondere auch bei Kindern und Jugendlichen mit neuromuskulären Erkrankungen können neue Biomarker für die Bewertung der krankheitsschwere aufgezeichnet werden (Regensburger et al. 2019, Regensburger et al. 2022, Nedoschill et al. 2024). Auf dem Gebiet der gastrointestinalen Erkrankungen konnten mittels Optoakustik in ersten Pilotexperimenten bereit entzündlichen Darmveränderungen im Mausmodell detektiert werden (Knieling et al. 2018) (Buehler et al. 2023). Auch mittels klinischem, handgeführten MSOT konnte die Krankheitsschwere von erwachsenen und kindlichen Patienten mit chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen beurteilt werden (Waldner et al. 2016, Knieling et al. 2017, Regensburger et al. 2024). Dies belegt einen weiteren großen Vorteil dieser Technologie: durch Skalierbarkeit von Eindringtiefe und Auflösung werden translationale Forschungsansätze von der Zelle über das Mausmodell bis hin zum Menschen möglich – ein entscheidender Vorteil, wenn es um Validierung und Beschleunigung von translationaler Forschung geht. Mithilfe exogen zugeführter Absorber bzw. Farbstoffe können durch MSOT nicht nur molekulare sondern auch funktionelle Parameter generiert werden. Insbesondere der Farbstoff Indocyaningrün (ICG) konnte bereits mittels OAI detektiert werden (Paulus et al. 2023). Die Etablierung von OAI Technologien in der klinischen Routine ist Ziel des International Photoacoustic Standardization Consortium (IPASC) (Assi et al. 2023).

In-vivo-RSOM-Aufnahme der Darmwand einer Maus mit Segmentierung des Darmlumens mittels TAG und anschließender Isolation der Darmwand durch Cropping.

(Link to study: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11615813/)

Moderne bildgebende Verfahren erzeugen zunehmend komplexe und hochdimensionale Daten, deren quantitative Auswertung weit über die rein visuelle Beurteilung hinausgeht. Im PETI Lab entwickeln und nutzen wir Methoden der künstlichen Intelligenz, Bildverarbeitung und Bioinformatik, um aus medizinischen Bilddaten objektive und reproduzierbare Informationen zu gewinnen.

Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der automatisierten Analyse funktioneller und molekularer Bildgebung. Hierzu gehören die Segmentierung anatomischer Strukturen, Bewegungs- und Bildkorrektur, Objekterkennung und -verfolgung sowie die quantitative Charakterisierung von Gewebe, Perfusion und mikrovaskulären Strukturen.

Bei der Ultrasound Localization Microscopy (ULM) ermöglichen computergestützte Analyseverfahren beispielsweise die Detektion und Verfolgung einzelner Mikrobläschen und die Rekonstruktion hochaufgelöster Gefäßnetzwerke. Daraus können quantitative Parameter wie Gefäßdichte, Blutflussgeschwindigkeit, Flussrichtung, Tortuosität und Perfusionsverteilung abgeleitet werden.

Darüber hinaus untersuchen wir Machine-Learning- und Deep-Learning-Ansätze zur automatisierten Bildanalyse, Mustererkennung und Entwicklung neuer bildgebender Biomarker. Durch die Kombination von Bilddaten mit klinischen und molekularen Informationen sollen komplexe Krankheitsprozesse besser charakterisiert und neue nicht-invasive diagnostische Marker identifiziert werden.

Unser Ziel ist die Entwicklung robuster und reproduzierbarer Analyseverfahren, die innovative Bildgebung von der experimentellen Forschung bis hin zur klinischen Anwendung unterstützen.

Zur präzisen Untersuchung komplexer zellulärer Prozesse in einer kontrollierten Laborumgebung (in vitro) nutzen wir moderne Methoden der Zellkultur. Im Fokus unserer Arbeit stehen die humanen Dickdarm-Zelllinien Caco-2 und HT-29, die wir auf speziellen Membran-Einsätzen (Inserts) kultivieren. So können wir eine funktionelle Darmbarriere mit einer apikalen und basolateralen Seite realitätsnah nachbilden. Ergänzt wird dieses System durch THP-1-Zellen (eine humane Monozyten-Zelllinie). Nach gezielter Differenzierung simulieren diese komplexe Entzündungsprozesse, wie sie bei chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen (IBD) auftreten. Gemeinsam bilden diese Zellen ein dynamisches Monolayer-Modell, an dem wir das Verhalten der Barriere sowie die Überexpression spezifischer Proteine nach verschiedenen Stimulationen analysieren. Zur Auswertung kommen dabei klassische und moderne biochemische sowie histologische Methoden wie Western Blot und Immunfärbungen (Immunostaining) zum Einsatz. Zudem nutzen wir diese Plattform, um das Potenzial neuartiger Zink- und Silber-Komplexe auf ihre entzündungshemmenden Effekte hin zu testen.

In enger Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Dr. Anton Windfelder (https://www.windfelder-lab.com/de ) nutzen wir die Raupen des Tabakschwärmers (Manduca sexta) als innovatives, alternatives Tiermodell. Obwohl diese Insektenlarven evolutionär weit vom Menschen entfernt sind, weisen sowohl die Struktur ihres Darmepithels als auch die zelluläre, angeborene Immunantwort des Darms eine starke evolutionäre Ähnlichkeit mit der von Säugetieren auf. Dies macht sie zu einem wertvollen translationalen Modell, mit dem sich die grundlegende Immunologie und die pathophysiologischen Mechanismen hinter entzündlichen Darmerkrankungen auf zellulärer Ebene untersuchen lassen.
Das etablierte Darmentzündungsmodell dieser Insektenlarven erlaubt es, pathophysiologische Prozesse auf ethische und effiziente Weise zu untersuchen.¹,² Basierend darauf setzen wir diesen Modellorganismus ein, um moderne bildgebende Verfahren – mit besonderem Fokus auf die Optoakustik – sowie Farbstoffe und Kontrastmittel zu testen, zu optimieren und zu validieren. Als Mitglied der Erlanger Initiative 3R (https://www.fpz.med.fau.de/manduca-sexta-tabakschwaermer) leisten wir im Sinne des Tierwohls damit einen aktiven Forschungsbeitrag zur Etablierung von Alternativmethoden gegenüber klassischen Labortieren.

¹ WINDFELDER, Anton G., et al. High-throughput screening of caterpillars as a platform to study host–microbe interactions and enteric immunity. Nature communications, 2022

² WINDFELDER, Anton G., et al. An enteric ultrastructural surface atlas of the model insect Manduca sexta. Iscience, 2024