Bio-Imaging

Moderne bildgebende Verfahren gelten längst als eine Schlüsseltechnologie für eine erstklassige medizinische Forschung. Am ISAS konzentriert sich das Forschungsprogramm »Bio-Imaging« auf die Bildgebung der zeitlichen und räumlichen Moleküldynamik in der einzelnen Zelle bis hin zu Organen.

So verfolgen die Wissenschaftler:innen beispielsweise mithilfe der Lichtblatt-Fluoreszenzmikroskopie (Light Sheet Fluorescence Microscopy, LSFM), Raman-Mikroskopie und Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS)-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 – sich vom Labor in die Patienten-versorgung übertragen lassen –, besteht unter anderem eine enge Zusammenarbeit mit dem Institut für Experimentelle Immunologie & Bildgebung am Universitätsklinikum Essen. Ferner arbeiten die ISAS-Forscher:innen tier- und humanexperimentell, nehmen Messungen an intakten Organen vor und integrieren Künstliche Intelligenz bei ihren Bildanalysen.
Kombination mit komplementären analytischen Technologien.

Um in Zukunft die Arbeiten im Forschungsprogramm »Bio-Imaging« stärker voranzutreiben, hat das ISAS 2020 die Arbeitsgruppe Bioimaging etabliert. Im Jahr 2021 lag der Fokus auf dem Aufbau der Arbeitsgruppe. Diese hat das Ziel, molekulare und zelluläre Vorgänge, die sogenannten immuno-vaskulären Interaktionen unter entzündlichen Bedingungen zugrunde liegen, aufzuklären. Dabei untersuchen die Forscher:innen sowohl diese Zellinteraktionen in akuten entzündlichen Prozessen wie beim Herzinfarkt und einer Thrombo-Inflammation, als auch bei chronischen Autoimmunerkrankungen wie der rheumatoiden Arthritis. Zum Einsatz kommen außer bildgebenden Verfahren wie der LSFM auch die Konfokal-Mikroskopie (Confocal Laser Scanning Microscopy, CLSM) oder Zwei-Photonen-Mikroskopie (Two-Photon Laser-Scanning Microscopy, TPLSM). Sie ermöglichen eine dreidimensionale Analyse biologischer Proben vom zellulären bis 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).

Zerstörungsfreie, integrative Messstrategien 

Da nicht nur die Menge eines Biomoleküls in einem System, sondern auch dessen genaue räumliche Lage für einen Krankheitsmechanismus ausschlagegebend sein können, eröffnet die Kombination dieser optischen 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 eine einzelne Technik reduziert. Dies ist insbesondere bei seltenen Proben, beispielsweise humanen Gewebebiopsien, problematisch, da so umfassende Analysen unmöglich werden. Daher arbeitet das ISAS im Programm »Bio-Imaging« daran, komplementäre bildgebende und analytische Verfahren aufeinander abzustimmen und so miteinander zu kombinieren, dass neue, zerstörungsfreie, integrative Messstrategien 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. Diese technischen Weiterentwicklungen sind für eine umfassende multimodale und multidimensionale Analyse und somit für ein ganzheitliches Verständnis biomedizinisch relevanter Prozesse ausschlaggebend. Perspektivisch sollen diese neuen analytischen Technologien in die klinische Diagnostik integriert werden und somit eine verbesserte Prävention und Frühdiagnostik sowie personalisierte Therapieansätze ermöglichen.

Neue BMBF-Nachwuchsgruppe AMBIOM

Aus nur einer einzelnen Probe entstehen, je nach Mikroskop, durchschnittlich 500 Bilder. Ohne Künstliche Intelligenz (KI) würden sich die 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. Um heutigen und zukünftigen Datenmengen gerecht zu werden, hat das ISAS die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Nachwuchsgruppe AMBIOM – Analysis of Microscopic BIOMedical Images etabliert. Die Gruppe unter der Leitung von Dr. Jianxu Chen verfolgt seit 2021 als Schwerpunkt die Auswertung und Modellierung von Bildgebungsdaten.