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Spitzenmedizin mit Herz

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Bioinstrumentation

Die Bioinstrumentations-Sektion entwickelt spezialisierte Apparaturen für die kardiovaskuläre Forschung, welche benötigt werden, da innovative Forschungsfragen oft nicht mit kommerziell erhältlichen Gerätschaften beantwortet werden können. Zu diesem Zweck betreiben wir Prototypentwicklung von mechanischen und elektrischen Komponenten, basierend auf Expertise in Sensorik, Imaging-Techniken, Signalprozessierung, Kontrollsystemen, sowie Benutzeroberflächen.

Optoakustische Bildgebung

Derzeit gibt es keine Möglichkeit, die elektrische Aktivität im Herzen in 3D abzubilden, ohne dabei das Gewebe zu schädigen. Die optoakustische Bildgebung ist ein Verfahren, bei dem Laserpulse zur Anregung von bestimmten Molekülen verwendet werden. Dabei wird die Laserenergie von den Molekülen absorbiert, was zu einer thermoelastischen Ausdehnung von Chromophoren mit dem Gewebe und anschließend zur Erzeugung einer Druckwelle führt, die mit Ultraschall aufgezeich- net werden kann. Mittels Tomographie können die genauen Positionen der Chromophore im Gewebe ermittelt werden. Das optoakustische Bildgebungs- verfahren vereint die Vorteile der Fluoreszensbildgebung mit der Eindringtiefe des Ultraschalls kombiniert, und ermöglicht somit eine 3D-Messung der kardialen Elektrophysiologie. In Zusammenarbeit mit Partnern in Großbritannien, USA, Schweiz und Deutschland testen wir derzeit spannungssensitive Farbstoffe und optoakustische Bildgebungssysteme auf ihre Eignung für solche 3D-Messungen.

Abb. 1: Animation einer 3D-Rekonstruktion eines Mäuseherzens mittels Optoakustischer Tomographie.

Optical Mapping

Im Gegensatz zur optoakustischen Bildgebung, ist das Optical Mapping eine gut etablierte Methode, die es ermöglicht, Veränderungen der Zelleigenschaften (wie Membranspannung und Ionenkonzentration) bei hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu messen, allerdings mit der Einschränkung, diese nur nahe der Ober- fläche (bis 1 mm) des Gewebes detektieren zu können. Wir haben kürzlich ein Panoramabildgebungssystem entwickelt, mit dem wir die Oberfläche ganzer Herzen mit einer einzigen Kamera abbilden können. Dafür nutzen wir maßgeschneiderte Mikrocontroller-basierte Hardware, um die Lichtquellen mit Nanosekundenpräzision anzusteuern und mit den Kameras zu synchronieren. Das Panoramabildgebungs- system wird in einer Reihe von Forschungsprojekten eingesetzt, wie z.B. die Untersuchung der Mechanismen, die der Arrhythmiebildung bei Ischämie/ Reperfusionsschäden zugrunde liegen, und wie elektrische und mechanische Heterogenitäten beim long QT-Syndrom zusammenhängen (in Zusammenarbeit mit der Sektion Translationale Medizinische Forschung).

Abb. 2: Panoramabildgebungssystem zur optischen Abbildung von Membran- spannung und Kalzium bei gleichzeitiger Messung der Mechanik mit Ultraschall.

Kardiale Stimulation

Wir können das Optical Mapping auch mit Werkzeugen zur optischen Kontrolle von Zellfunktionen kombinieren, z.B. via Licht-aktivierten Ionenpumpen und Kanälen. Solch ein kombinierter Aufbau ermöglicht somit vollkommen Licht-kontrollierte Untersuchungen kardiovaskulärer Funktionen von gesunden und krankheitsbedingt veränderten Proben. Ein Beispiel für solch eine Verwendung ist die optische Stimulation, bei der ein Herzschlag durch Bestrahlung mit Licht angeregt wird, anstatt durch einen elektrischen Strom (wie bei heutigen Herzschrittmachern üblich). Prinzipiell ist jedes Verfahren, das zu einem ausreichend großen Stromfluss in eine bestimmte Anzahl von Herzzellen führt, ausreichend, um einen Herzschlag zu beschleunigen. Interessanterweise können über dehnungs- aktivierte Kanäle im Herzen ähnliche Ströme hervorgerufen werden, d.h. ein Herzschlag kann durch bloßes Antippen beschleunigt werden. Dies ist besonders interessant für Notfallsituationen einer primären Asystole, wenn das Herz also nicht mehr schlägt und eine Herzmassage die beste verfügbare Option ist. Das erzeugbare Herzschlagvolumen ist jedoch relativ gering, so dass die Fähigkeit, das Herz durch einfaches Klopfen auf die Brust wieder zu beschleunigen, äußerst attraktiv erscheint. In ersten Experimenten konnte jedoch gezeigt werden, dass nach 50-100 Schlägen die mechanische Stimulierbarkeit abnimmt (Quinn et al., 2016). Um zu untersuchen, wie und warum dies geschieht, haben wir in Zusammenarbeit mit der Technischen Fakultät (IMTEK) ein System entwickelt, bei dem wir elektrische, mechanische und optische Stimulation an der exakt gleichen Stelle des Herzens anwenden und schnell zwischen den einzelnen Stimuli wechseln können.

Fig. 3: Spitze einer Optrodensonde bestehend aus einer 270 μm x 270 μm x 270 μm LED in der Mitte, umgeben von Elektroden.

Weiterführende Literatur