Wir untersuchen kranke und gesunde Blutgefäßstrukturen in hochauflösenden Synchrotron-µ-CT-Aufnahmen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse tragen zur Entwicklung potentieller Behandlungsmethoden bei.

Kapillare Gefäßstrukturen

Kapillare Gefäße sind die kleinsten Ausläufer des Blutgefäßsystems. Sie durchziehen den gesamten Körper, insbesondere auch alle Organe.

In dieser Anwendung liegt unser Fokus auf kapillaren Gefäßen innerhalb der Lunge und Leber. Durch deren Anordnung lassen sich Rückschlüsse auf den Zustand des zugrunde liegenden Gewebes und somit des eigentlichen Organs ziehen.

Bisher beschränkt sich die Untersuchung dieser extrem kleinen und dichten Gefäße oftmals auf visuelle Auswertung von 2D Mikroskopaufnahmen. Die Analyse dieser Gefäße in 3D hingegen liefert weitaus genauere Information, vor allem hinsichtlich der Lagebeziehung der Gefäße zueinander. Weiterhin ermöglicht die hohe Auflösung im Bereich zwischen 400 und 700 nm eine detailgenaue Wiedergabe der stark verzweigten Struktur. Die Auswertung hochaufgelöst 3D Bilddaten ebnet den Weg zu weitreichenden neuen Erkenntnissen in der medizinischen Forschung.

Für die dreidimensionale Auswertung muss die Gefäßstruktur zunächst entsprechend vorbereitet werden. Hierzu werden die Gefäße mit einem speziellen Kunststoff gefüllt und das umgebende Gewebe mithilfe einer ätzenden Säure entfernt. Der verbleibende Gefäßausguss wird anschließend mithilfe hochauflösender Synchrotron Tomographie aufgenommen.

Das so gewonnene Bildmaterial muss zunächst segmentiert werden, um die Gefäßstruktur genau zu erfassen. Hierzu ist es notwendig bereits bestehende Segmentierungsverfahren geeignet anzupassen. Im zweiten Schritt folgt die quantitative Analyse der Bilddaten. Neben einer genauen Bestimmung des Gefäßvolumens und der -oberfläche ist die Topologie des Gefäßsystems eine wichtige Kenngröße. So können beispielsweise basierend auf der Eulerzahl kleine Löcher innerhalb der kapillaren Gefäße detektiert werden. Diese sind ein wichtiger Indikator für sogenanntes kompensatorisches Lungenwachstum, einem Prozess in Mäuselungen, bei dem die verbleibende Lunge nach Entnahme von ca. 40 Prozent des vorherigen Lungenvolumens nachwächst. Erkenntnisse bzgl. dieses Prozesses können dazu beitragen, Therapiemöglichkeiten für Erkrankung der menschlichen Lunge, wie beispielsweise Krebs, deutlich zu verbessern.

In der Analyse kapillarer Gefäßstrukturen besteht unser Aufgabe darin, Algorithmen zu entwickeln, die die Struktur des Gefäßsystems erfassen und beschreiben. Wir betrachten speziell Gefäßstrukturen in Lunge und Leber der Maus. Jedoch lassen sich die Algorithmen beliebig übertragen.

Ausschnitt der 3D-Rekonstruktion eines CT-Bildes der kapillaren Blutgefäße einer Mauselunge.
© Foto ITWM

Ausschnitt einer μ-CT-Aufnahme der kapillaren Blutgefäßstruktur einer Mäuselunge. Auflösung: 650 nm

Veröffentlichungen

Föhst, S.; Wagner, W.; Ackermann, M.; Redenbach, C.; Schladitz, K.; Wirjadi, O.; Ysasi, A. B.; Mentzer, S. J.; Konerding, M. A.:
3D Image Analytical Detection of Intussusceptive Pillars in Murine Lung.
Journal of Microscopy 260, (3), pp. 326-337, (2015).