Vorgänge im Körper sichtbar machen

Wie wir neue Möglichkeiten der Bildgebung entwickeln

Ein Sauerstoff-Sensor im Zellkulturtest

Abstufungen in der Sauerstoffversorgung eines dreidimensionalen Tumormodells in Zellkultur (weiß = mehr Sauerstoff, violett = weniger Sauerstoff) / Konfokale Fluoreszenzmikroskopie

Um Vorgänge im Körper sichtbar zu machen, nutzen und entwickeln wir Sensoren, mit denen wir bestimmte Moleküle in Zellen und Geweben sichtbar machen können. Diese erzeugen Signale, wie zum Beispiel Fluoreszenz, die wir mit dem Mikroskop detektieren können. Eines der von uns entwickelten Sensorsysteme zeigt uns, wie gut Zellen mit Sauerstoff versorgt sind. Dies ist beispielsweise bei der Erforschung von Erkrankungen wie Herzinfarkt oder Krebs relevant. Dafür schleusen wir die DNA der genetisch kodierten Sensoren in die Zellen ein, deren Sauerstoffversorgung wir untersuchen wollen. Die DNA integriert sich in den genetischen Code dieser Zellen, die somit Fluoreszenzproteine produzieren können und je nach Sauerstoffversorgung unterschiedlich aufleuchten.

Eine Herausforderung: Die meisten fluoreszierenden Proteine benötigen Sauerstoff, um zu fluoreszieren und können Sauerstoffmangel (Hypoxie) nur indirekt anzeigen, nämlich durch das Fehlen der Fluoreszenz. Wir haben für die Entwicklung eines Sauerstoff-Sensors deshalb erstmals das sauerstoffunabhängig fluoreszierende Protein UnaG verwendet, das Hypoxie durch das Erscheinen eines eindeutigen Fluoreszenzsignals nun genauer nachweisen kann. Die gezeigten Tumorzellen produzieren zwei fluoreszierende Proteine: Während UnaG immer aufleuchten kann, fluoresziert das andere Protein nur, wenn Sauerstoff vorhanden ist, und zwar umso stärker, je mehr Sauerstoff da ist. Der Sensor zeigt somit nicht nur, ob eine Hypoxie vorliegt, sondern sogar, wie stark diese ausgeprägt ist. Aus dem Verhältnis beider Signale konnten wir so eindeutige Abstufungen in der Sauerstoffversorgung der Zellen berechnen. Dies haben wir in dreidimensional wachsenden menschlichen Krebszellen getestet, die für uns in der Zellkultur näherungsweise das Verhalten eines Tumors repräsentieren. Im äußeren Bereich zeigte sich eine stärkere Sauerstoffversorgung (weiß), ins Zentrum konnte der Sauerstoff hingegen schlechter eindringen (violett).

Nadine Bauer und Friedemann Kiefer
European Institute for Molecular Imaging, Uni Münster
Die Studie entstand in Zusammenarbeit mit Cristian A. Strassert, Uni Münster, Institut für Anorganische und Analytische Chemie.

• Bauer N, Maisuls I, Pereira da Graca A, Reinhardt D, Erapaneedi R, Kirschnick N, Schafers M, Grashoff C, Landfester K, Vestweber D, Strassert CA, Kiefer F. Genetically encoded dual fluorophore reporters for graded oxygen-sensing in light microscopy. Biosens Bioelectron. 2023; 221: 114917. DOI: 10.1016/j.bios.2022.114917

Bakterien im Körper aufspüren

Im Labor

• 

• 

• 

• 

• 

Ein neu entwickelter Tracer (gelbes Signal) hat sich in Bakterien in der rechten Schulter einer Maus angereichert. Er sammelt sich auch in der Blase, über die er ausgeschieden wird. / Gerenderte 3D-Darstellung von PET-CT-Daten – Positronen-Emissions-Tomographie (PET, gelbes Signal) und Computertomographie (CT, graues Signal)

Bakterielle Infektionen stellen für die Medizin eine große Herausforderung dar. Viele Bakterien können sich in einem Biofilm „verstecken“ und sind im Blut nicht zu finden. Wenn sie sich an verletztem Gewebe oder Prothesen ansiedeln und im Körper ausbreiten, kann dies schwere Folgen haben. Wir entwickeln Spürstoffe (Radiotracer), die ermöglichen könnten, Infektionsherde früh zu erkennen und genau zu lokalisieren. Radiotracer sind radioaktiv markierte Substanzen, die sich, nachdem sie injiziert wurden, über den Blutstrom im Körper verteilen und an definierte Strukturen binden oder sich in Zellen anreichern. Geringe Mengen reichen aus, um ihre radioaktiven Signale mit speziellen Tomographen sichtbar zu machen.

Um Bakterien im Körper aufzuspüren, nutzen wir ihren natürlichen Stoffwechsel – im gezeigten Beispiel den Eisenstoffwechsel. Bakterien produzieren bestimmte Moleküle – die Siderophore – über die sie Eisen aus ihrer Umgebung aufnehmen. Wir stellen solche Siderophore chemisch-synthetisch her und „beladen“ sie mit dem radioaktiven Metall Gallium-68. Da sich dieses chemisch genauso verhält wie Eisen, nehmen Bakterien unsere Tracer über den gleichen Transportweg auf. Wenn wir einen neuen Radiotracer-Kandidaten synthetisiert haben, testen wir in Reagenzglas und Bakterienkultur, ob er im Blutserum stabil bleibt und wie gut verschiedene Bakterien ihn aufnehmen. Dann folgen gezielte Untersuchungen mit einzelnen Mäusen. Der Blutfluss, Nährstoffkonzentrationen oder wie schnell sich Bakterien während einer Infektion vermehren – all das kann beeinflussen, wie gut ein Tracer im Organismus funktioniert. Wir konnten nachweisen, dass der gezeigte Radiotracer spezifisch insbesondere von Escherichia coli-Bakterien aufgenommen wird. Nun testen wir, ob sich dies für weitere Bakterienarten bestätigt, von denen wir wissen, dass sie dieses spezielle Siderophor für die Eisenaufnahme nutzen. Zudem arbeiten wir daran, die Herstellung des Tracers auf klinische Qualitätsanforderungen zuzuschneiden, so dass er sich für erste Untersuchungen bei Patienten einsetzen lässt.

Renato Margeta und Andreas Faust
European Institute for Molecular Imaging, Uni Münster
Silke Niemann
Institut für Medizinische Mikrobiologie, Universitätsklinikum Münster
Das Projekt ist eine gemeinsame Arbeit mit Sven Hermann und Sonja Schelhaas European Institute for Molecular Imaging, Uni Münster.

• Margeta R, Schelhaas S, Hermann S, Schafers M, Niemann S, Faust A. A novel radiolabelled salmochelin derivative for bacteria-specific PET imaging: synthesis, radiolabelling and evaluation. Chem Commun (Camb). 2024; 60(26): 3507-3510. DOI: 10.1039/d4cc00255e

Molekulare Bildgebung bei Brustkrebs

Klinische Bildgebung bei einer Patientin mit einem Brusttumor und einer Metastase in einem Lymphknoten der Achsel. Die Untersuchung haben wir mit einem neu entwickelten Tracer durchgeführt (helles Signal). Zu erkennen sind auch die Nieren und der Harnleiter, über die der Tracer ausgeschieden wird. / Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

Bilder aus dem Körperinneren liefern für die Versorgung von Patientinnen und Patienten entscheidende Hinweise. In der Nuklearmedizin erzeugen wir Bilder mithilfe leicht radioaktiver Spürstoffe (Tracer). Damit können wir Moleküle sichtbar machen, die an bestimmten Transport- und Stoffwechselprozessen beteiligt sind oder in Tumorgewebe aktiv sind. Mit dem hier gezeigten neuen Spürstoff stellen wir ein Molekül dar, das auf der Oberfläche von bestimmten Zellen in der Mikroumgebung von Tumoren vorkommt – auf den krebsassoziierten Fibroblasten. Unsere Teamkollegen haben den Tracer gemeinsam mit Kooperationspartnern chemisch entwickelt. Wir haben seinen Nutzen erst in Studien mit Mäusen und dann bei Patientinnen mit Brustkrebs evaluiert. Inzwischen wenden wir ihn in der Klinik regelmäßig an.

Fibroblasten sind Zellen des Bindegewebes, die in jedem Gewebe und Organ vorkommen. Tumore nutzen diese und viele weitere Zellen und können dadurch wachsen und metastasieren. In der Umgebung des Tumors, insbesondere bei Brustkrebs, verändern die Fibroblasten ihre Form und Funktion und produzieren ein bestimmtes Protein, das Fibroblasten-Aktivierungsprotein (FAP). An dieses Protein bindet der neue Tracer. Der gezeigte Fall ist eine der ersten Untersuchungen damit. Wir schätzten hier das Metastasierungsrisiko als sehr hoch ein, da der Tumor weit ausgedehnt war und wir bereits eine Lymphknotenabsiedlung identifiziert hatten. Mit der neuen Bildgebung ließ sich nochmals sicherstellen, dass sich glücklicherweise keine weiteren Metastasen gebildet hatten. Bei anderen Patientinnen konnten wir mit dem Tracer Metastasen neu erkennen, insgesamt die Ausdehnung der Tumore besser beurteilen und die Behandlung entsprechend anpassen. In der Forschung gehen wir nun der Frage nach, ob wir über die FAP-Bildgebung bei Brustkrebsvorstufen invasive von nicht-invasiven Formen unterscheiden und sie somit früher passgenau behandeln können. Kollegen in New York untersuchen zudem, ob sich das Ansprechen auf eine Chemotherapie mithilfe der FAP-Bildgebung so gut beurteilen lässt, dass in manchen Fällen auf eine Operation der Brust und der Achsel verzichtet werden kann.

Philipp Backhaus und Michael Schäfers
European Institute for Molecular Imaging, Uni Münster & Klinik für Nuklearmedizin, Universitätsklinikum Münster
Die klinischen Untersuchungen haben wir im Universitätsklinikum Münster durchgeführt.

• Backhaus P, Gierse F, Burg MC, Büther F, Asmus I, Dorten P, Cufe J, Roll W, Neri D, Cazzamalli S, Millul J, Mock J, Galbiati A, Zana A, Schäfers KP, Hermann S, Weckesser M, Tio J, Wagner S, Breyholz HJ, Schäfers M. Translational imaging of the fibroblast activation protein (FAP) using the new ligand [68Ga]Ga-OncoFAP-DOTAGA. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2022; 49(6):1822-1832. DOI: 10.1007/s00259-021-05653-0

Immunzellen im Körper verfolgen

Bewegungsspuren (rot) von Immunzellen im Gehirn einer Maus. Wir erforschen, wie sich ihre Bewegungsmuster bei Entzündungen und Krebserkrankungen ändern. Um die Auflösungsgrenzen zu erweitern, haben wir verschiedene Aufnahmetechniken erprobt. / Magnetresonanztomographie (MRT)

Video: Zeitrafferaufnahmen zeigen die einzelnen Bewegungsschritte von Immunzellen (rote Pfeile).

Mithilfe eisenbasierter Kontrastmittel können wir mit der MRT Immunzellen sichtbar machen. Immunzellen erkennen die Eisenpartikel als fremd und beseitigen sie, indem sie sie aufnehmen. Im Bild zu erkennen sind Bewegungsspuren von Immunzellen, die über kürzere oder längere Strecken langsam entlang der Blutgefäßwände patrouillieren. Bei einer Entzündung geht diese Bewegung in eine schnellere zielgerichtete Bewegung über. Diese schnellere Bewegung lässt sich mit der MRT bisher nicht erfassen. Sie führt im Bild zu Verschmierungen oder liegt ganz außerhalb der Messgrenze – im Bild sind dann weniger Zellen zu sehen. Durch das Zählen der Zellen konnten wir bei Mäusen feststellen, dass sich das Verhalten der Immunzellen bei Entzündungen und Krebs bereits ändert, bevor sich klinische Symptome zeigen, und dass das Bewegungsmuster mit dem Ausmaß der Erkrankung zusammenhängt.

Um dies noch genauer analysieren zu können, haben wir verschiedene Aufnahmetechniken erprobt. Die MRT erzeugt Bilder mithilfe von schaltbaren Magnetfeldern und Radiowellen, auf die die Wasserstoffatome im Körpergewebe reagieren. Dabei können wir verschiedene physikalische Parameter variieren („MRT-Sequenzen“) und so unterschiedliche Bildkontraste und Aufnahmezeiten erzielen. Um Aufnahmetechniken quantitativ vergleichen zu können, bildeten wir die Zellbewegung in einem künstlichen Modell nach: Wir platzierten Eisenpartikel in einem Röhrchen mit einem gelatineähnlichen Gel (Agarose) und ließen dieses Röhrchen während der MRT-Aufnahme sehr langsam kontrolliert rotieren. Mit verschiedenen Aufnahmetechniken konnten wir die Auflösung der Bewegungsgeschwindigkeit auf maximal 0,8 Millimeter pro Minute verbessern. Dies reicht jedoch noch nicht, um schnelle Immunzellen sichtbar zu machen. Eine Weiterentwicklung der Aufnahmemethodik ist daher zentraler Bestandteil unserer Forschung. Wir wollen damit letztlich ermitteln, welche Rolle die Zellen im Krankheitsgeschehen genau spielen, und ob wir aus den Änderungen, die wir im Bewegungsverhalten sehen, Aussagen für die Diagnostik und die Therapieüberwachung ableiten können.

Enrica Wilken, Max Masthoff, Anne Helfen und Cornelius Faber
Klinik für Radiologie, Uni Münster

• Wilken E, Havlas A, Masthoff M, Moussavi A, Boretius S, Faber C. Radial compressed sensing imaging improves the velocity detection limit of single cell tracking time-lapse MRI. Magn Reson Med. 2024; 91(4): 1449-1463. DOI: 10.1002/mrm.29946
• Masthoff M, Freppon FN, Zondler L, Wilken E, Wachsmuth L, Niemann S, Schwarz C, Fredrich I, Havlas A, Block H, Gerwing M, Helfen A, Heindel W, Zarbock A, Wildgruber M, Faber C. Resolving immune cells with patrolling behaviour by magnetic resonance time-lapse single cell tracking. EBioMedicine. 2021; 73: 103670. DOI: 10.1016/j.ebiom.2021.103670

Signale bewegter Zellen im Körper simulieren

Ein digital nachgebildeter menschlicher Körper. Die bunten Kügelchen stehen für sich bewegende Zellen oder Moleküle, die radioaktive Strahlung aussenden. Mithilfe solcher Simulationen entwickeln wir Rechenmodelle für die biomedizinische Bildgebung mit der Positronen-Emissions-Tomographie (PET). / 3D-Computersimulation

Video: 100 radioaktive Moleküle werden in der Simulation in den Blutkreislauf eingebracht. Sie wandern mit dem Blut zum Herzen, dann in die Lunge und verteilen sich schließlich im ganzen Körper.

Biomedizinische Bilder stellen das Körperinnere nicht auf direktem Wege dar, sondern sie entstehen durch künstlich erzeugte Signale wie Licht, Schall oder Strahlung, die mithilfe unterschiedlicher Technologien gemessen und in Bilder übersetzt werden. Die Bilder sind also Rekonstruktionen dessen, wie es im Körper aussieht. Die PET errechnet biomedizinische Bilder aus Signalen radioaktiver Spürstoffe (Tracer). Mithilfe dieser Technologie wollen wir es möglich machen, einzelne Zellen und Moleküle im Organismus zu verfolgen. Dies könnte beispielsweise für die Forschung zu Entzündungen relevant sein, bei denen Immunzellen aus dem Blut ins Gewebe wandern.

Um die gemessenen Signale sich bewegender Zellen verarbeiten zu können, entwickeln unsere Kollegen komplexe mathematische Modelle. Wir erarbeiten Möglichkeiten, mit denen wir experimentell überprüfen können, wie gut diese Rechenmodelle funktionieren. Dazu gehören Computersimulationen, mit denen wir biologische Szenarien digital nachbilden. Wir stellen die Blutgefäße mit ihren Durchmessern, typischen Verzweigungsmustern sowie der Geschwindigkeit und Richtung des Blutflusses dar. Anhand physikalischer Gesetze berechnen wir, wie sich Zellen oder Moleküle darin bewegen. Hier haben wir radioaktive Zuckermoleküle (¹⁸F-FDG) simuliert. Da ¹⁸F-FDG als PET-Tracer in der Klinik genutzt wird, wissen wir sehr genau, wie sich diese Moleküle im Körper verhalten. Die roten Moleküle zirkulieren im Blut, die gelben befinden sich im Kapillarbett, in dem der Stoffaustausch zwischen Blut und Gewebe stattfindet, die grünen Moleküle werden in einer Zelle verstoffwechselt. Für diese Bewegungsmuster berechnen wir Wahrscheinlichkeiten und geben in der Simulation den entsprechenden Input. Im nächsten Schritt ordnen wir den Zellen Radioaktivität zu. Auch die Messung der radioaktiven Zerfälle simulieren wir am Computer mit einem digitalen PET-Scanner. Das mit den neuen Algorithmen rekonstruierte Bild vergleichen wir mit der Simulation und können so beurteilen, wie genau wir die Position der Zellen getroffen haben.

Nils Marquardt und Klaus Schäfers
European Institute for Molecular Imaging, Uni Münster
Das Projekt ist eine gemeinsame Arbeit mit Marco Mauritz und Benedikt Wirth, Angewandte Mathematik: Institut für Analysis und Numerik, Uni Münster.

• Schmitzer B, Schäfers KP, Wirth B. Dynamic Cell Imaging in PET with Optimal Transport Regularization. IEEE Trans Med Imaging. 2020; 39(5): 1626-1635. DOI: 10.1109/tmi.2019.2953773

Wandernde Zelle im Schlauchphantom

Mathematische Rekonstruktion der Signale einer künstlichen Zelle, die sich während einer tomographischen Messung durch einen Schlauch bewegt / Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

Video: Rekonstruktion der Zellbewegung im zeitlichen Verlauf

Mit der Positronen-Emissions-Tomographie erzeugte biomedizinische Bilder stellen die räumliche Verteilung radioaktiver Spürstoffe (Tracer) dar, mit denen sich bestimmte Zellen oder Moleküle im Körper markieren lassen. Die Tracer erzeugen Signale, weil radioaktive Atome instabil sind. Sie zerfallen mit der Zeit und senden dabei Teilchen aus – im Fall der PET Positronen. Die Positronen reagieren mit Elektronen und beide Teilchen wandeln sich in zwei Gammastrahlen um, die genau entgegengesetzt gerichtet sind. Ein Ring aus Detektorkristallen erfasst die Gammastrahlen – und immer, wenn zwei Gammastrahlen gleichzeitig von zwei Detektoren erfasst werden, kann man schließen, dass der ursprüngliche Ort des Positronen-Zerfalls auf der Verbindungslinie zwischen den beiden Detektoren liegen muss. Wenn die Signale nicht von einem festen Punkt ausgesendet werden, sondern von Zellen, die sich im Körper bewegen, ist es deutlich komplexer, daraus Bilder zu errechnen. Dafür entwickeln wir mathematische Modelle.

Mithilfe der Theorie des optimalen Transports bringen wir in unsere Rechenmodelle Vorwissen darüber ein, wie sich eine Zelle von Ort zu Ort bewegt. Wir gehen davon aus, dass unter allen möglichen Zellbewegungen diejenige am realistischsten ist, die die geringste Bewegungsenergie braucht. Hier haben wir ein neues Rechenmodell in einem ersten Experiment getestet. Dazu entwickelten wir ein Phantom – also einen experimentellen Laboraufbau, der ein biologisches Szenario nachahmt. Um sich bewegende Zellen zu simulieren, versetzten wir Alginatmasse, die beispielsweise für Gebissabdrücke beim Zahnarzt verwendet wird, mit Radioaktivität und schnitten daraus kleine Würfel (1 x 1 x 1 Millimeter). Wir platzierten einen Silikonschlauch mit mehreren Windungen im Tomographen und führten eine Messung durch, während unsere Aliginatzellen in Öl durch den Schlauch gepumpt wurden. Da die künstlichen Zellen deutlich mehr Radioaktivität enthielten, als es im Organismus realistisch ist, nutzten wir für die Bildrekonstruktion nur etwa fünf Prozent der detektieren radioaktiven Zerfälle. Wir arbeiten nun daran, die Rechengeschwindigkeit unserer Algorithmen zu optimieren und wollen sie zukünftig zusammen mit Kolleg*innen aus der Biologie und Medizin einsetzen, um Fragen rund um das Verhalten von Zellen im Körper zu untersuchen.

Marco Mauritz und Benedikt Wirth
Angewandte Mathematik: Institut für Analysis und Numerik, Uni Münster
Nils Marquardt und Klaus Schäfers
European Institute for Molecular Imaging, Uni Münster

• Mauritz M, Schmitzer B, Wirth B. A Bayesian model for dynamic mass reconstruction from PET listmode data. SIAM Journal on Mathematical Analysis. 2024; 56(5): 5840-5880. DOI: 10.1137/23M161923X