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Spitzenmedizin mit Herz

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4D Bildgebung / Kardiale NanoDynamiken

Die Sektion 4D Bildgebung vereint experimentelle und computergestützte Forschung zur Aufklärung von Herzstruktur (3D) und –funktion (zeitliche Komponente als ‚vierte‘ Dimension). Die untersuchten räumlichen Bereiche können grob in die Nano-bis-Mikro-Ebene und die Mikro-bis-Makro-Ebene unterteilt werden, während die zeitliche Domäne von Millisekunden (z.B. zur Analyse des Kontraktionszyklus einer Herzmuskelzelle) bis Monaten (Untersuchung struktureller Veränderungen im Krankheitsverlauf) variiert.

Nano-bis-Mikro

Präzise nanostrukturelle 3D-Einblicke in das hoch kompartimentisierte und dichtgepackte Zellinnere stehen für des kardiovaskuläre System noch am Anfang. In Kooperation mit Teams in Boulder, Bristol und Heidelberg führen wir elektronenmikroskopische (EM) Tomographie durch, ein Bildgebungsverfahren bei dem ultradünne Zellfragmente mittels Hochspannungs-EM von über 200 verschiedenen Winkeln aus abgelichtet werden. Mit diesen Daten können dann dreidimensionale Strukturen mit einer EM Auflösung von ≈4*10‑9 m rekonstruiert warden (Abb. 1).

Nano-zu-Mikro + Zeit

Da Präparate für die EM-Untersuchung fixiert sind, kann die zeitliche Abfolge durch eine Zusammenführung verschiedener Momentaufnahmen der Strukturen, entweder im Zuge einer fortschreitenden kardiovaskulären Erkrankung oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten innerhalb des Herzzyklus, aufgelöst werden. Derartige Einzelaufnahmen ermöglichen dennoch, Unterschiede in der subzellulären Architektur der Zellkompartimente zu quantifizieren, wie beispielsweise die durch Kontraktion hervorgerufende laterale Kompression der T-Tubuli (Abb. 2).

Andere Techniken, wie mikro-manipulatorische Eingriffe, können für die Kontrolle und Messung elektrischer, ionischer, und mechanischer Eigenschaften der kardiovaskulären Zellen zuhilfe genommen werden (Abb. 3).

Mikro-bis-Makro

Herzzellen stellen eine opportune Schnittstelle zwischen molekularer und systemischer Forschung dar, weil sie von Organ- und Biopsiematerial isoliert und anschließend einzeln untersucht werden können. Rückschlüsse vom Zell- auf das Organverhalten sind dennoch nicht einfach, da im Gewebsverband eingebettete Zellen experimentell nur schwierig kontrolliert oder beobachtet werden können. In diesem Falle helfen Computermodellierungen bei der Rekonstruktion 3D-histo-anatomischer Merkmale, z.B. basierend auf der Kombination von hochauflösendem MRT mit Histologie ganzer Herzen. Ein Beispiel für diesen Ansatz ist auf Abb. 1 der Bioinstrumentationsseite zu sehen. Diese Datensätze können für die Herstellung von computergestützten Modellen individueller Herzstrukturen und –funktionen genutzt werden, und sie helfen bei der Extraktion von bislang nicht direkt messbaren zellulären Deformierungsdaten an jeder beliebigen Position innerhalb des Herzengewebes.

Mikro-bis-Makro + Zeit

Die Deformierung des Herzens ist komplexer als wir meist vermuten. Obwohl moderne Computersimulationen auf detaillierte Einblicke in strukturelle und funktionale Herzmuskeleigenschaften zurückgreifen können, scheitern sie bis heute an der Reproduzierung normaler Gewebsdeformation. Dies liegt unserer Meinung nach an den unzureichenden strukturellen Untersuchungen des Herzmuskels und seiner Schichtung in Gewebslagen (Fiederung), welche nicht nur aneinander vorbei gleiten können, sondern auch den Winkel zwischen einzelnen Lagen verändern. Erste Beweise für ein solches Verhalten wurden durch Magnetresonanztomographie (Abb. 4) erhalten, und werden nun in die entsprechenden Computermodelle integriert.