Moderne bildgebende Verfahren gelten als eine Schlüsseltechnologie für erstklassige medizinische Forschung. Am ISAS konzentriert sich das Forschungsprogramm Bio-Imaging auf die zeitlich und räumlich hoch aufgelöste Visualisierung und Messung physiologischer Zustände in ganzen Organen, den Zellen und Gewebsstrukturen, die sie aufbauen, bis hin zu den Molekülen, die für die Funktion der Zellen essenziell sind.
© ISAS / Hannes Woidich
So verfolgen die Wissenschaftler:innen beispielsweise mithilfe der Lichtblatt-Fluoreszenzmikroskopie (Light Sheet Fluorescence Microscopy, LSFM), der hoch aufgelösten Konfokal-Mikroskopie (Confocal Laser Scanning Microscopy, CLSM) und der Raman-Mikroskopie die Validierung von Biomarkern, um die Früherkennung verschiedener Erkrankungen wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen oder Autoimmunerkrankungen zu beschleunigen. Damit die Ergebnisse dieser Grundlagenforschung später in die Klinik translatierbar sind – also sich vom Labor in die Patientenversorgung übertragen lassen, besteht unter anderem eine enge Zusammenarbeit mit dem Institut für Experimentelle Immunologie & Bildgebung am Universitätsklinikum Essen. Hierbei entwickeln die Forschenden auch neue mikroskopische Messtechniken, die den Durchsatz an Proben und damit die Geschwindigkeit der Analysen massiv erhöhen werden. Ferner arbeiten die ISAS-Forschenden tierexperimentell und unter Einsatz humaner Proben, nehmen Messungen an intakten Organen vor und integrieren Künstliche Intelligenz (KI) bei ihren Bildanalysen. Aus nur einer einzelnen Probe entstehen, je nach Mikroskop, hunderte von Bildern. Ohne KI würden sich die darin enthaltenen Informationen weder profund und schnell auswerten, noch effizient verwalten lassen. Die Mikroskopie ist nur eines von vielen Anwendungsfeldern in der medizinischen Bildgebung, bei denen KI die Verarbeitung enormer Datenmengen kontinuierlich revolutioniert.
Kombination mit komplementären analytischen Technologien
In verschiedenen Forschungsprojekten arbeiten unterschiedliche Arbeitsgruppen am ISAS daran, molekulare und zelluläre Vorgänge, die sogenannten immuno-vaskulären Interaktionen unter entzündlichen Bedingungen zugrunde liegen, aufzuklären. Dabei untersuchen die Forschenden diese Zellinteraktionen sowohl in akuten entzündlichen Prozessen wie beim Herzinfarkt oder Schlaganfall, als auch bei chronischen Autoimmunerkrankungen wie der rheumatoiden Arthritis.
Als bildgebendes Verfahren kommt neben LSFM und CLSM auch die Zwei-Photonen-Mikroskopie (Two-Photon Laser-Scanning Microscopy, TPLSM) zum Einsatz. Alle Verfahren zusammen genommen ermöglichen eine dreidimensionale Analyse biologischer Proben vom makroskopischen bis zum subzellulären Bereich. Um jedoch morphologische und funktionelle Veränderungen in entzündlichen Geweben über einen Zeitraum hinweg mit ihren zugrundeliegenden molekularen Mechanismen charakterisieren zu können, kombinieren die Wissenschaftler:innen am ISAS die LSFM, CLSM und TPLSM mit komplementären analytischen Technologien wie der Massenspektrometrie (MS) und hochdimensionaler Durchflusszytometrie.
Zerstörungsfreie, integrative Mess-Strategien
Da nicht nur die Menge eines Biomoleküls in einem System, sondern auch dessen genaue räumliche Konzentration für einen Krankheitsmechanismus ausschlagegebend sind, eröffnet die Kombination der mikroskopischen Verfahren mit allgemeiner und ortsaufgelöster MS künftig völlig neue Diagnosemöglichkeiten. Viele der genannten bildgebenden Methoden erfordern derzeit noch die Zerstörung der Proben, was deren Analyse oftmals auf einzelne Techniken reduziert, die sich gegenseitig ausschließen können. Dies ist insbesondere bei seltenen Proben, beispielsweise humanen Gewebebiopsien, problematisch, da so umfassende Analysen unmöglich werden. Daher arbeitet das ISAS im Programm Bioimaging daran, komplementäre bildgebende und analytische Verfahren aufeinander abzustimmen und so miteinander zu kombinieren, dass neue, zerstörungsfreie, integrative Mess-Strategien entstehen. Die Entwicklung eines solchen Skalen-übergreifenden Multimethodenkonzepts – in Form der 4D-Analytik – soll die orts- und zeitaufgelöste, quantitative, in vivo Analyse auf zellulärer bis molekularer Ebene erlauben. Die dafür notwendigen technischen Weiterentwicklungen sind für eine umfassende multimodale und multidimensionale Analyse und somit für ein ganzheitliches Verständnis biomedizinisch relevanter Prozesse ausschlaggebend. Perspektivisch sollen die dabei entstehenden neuen analytischen Technologien in die klinische Diagnostik integriert werden und somit eine verbesserte Prävention und Frühdiagnostik sowie personalisierte Therapieansätze ermöglichen.