Spektral-Computertomographie zur Quantifizierung von Fett und Eisen als klinisch prognostische Parameter

Projekt 04FMTHH20

Spektral-Computertomographie zur Quantifizierung von Muskelfett und
Eisenablagerungen im Knochenmark als klinisch prognostische
Parameter

Ausgangssituation

Die in Deutschland nach wie vor häufigste Schnittbildgebung, die Computertomographie (CT), ermöglicht es seit der Einführung der Dual-Source Dual-Energy CT (ds-DECT) seit 2006 prinzipiell, Elemente und Gewebe in klinischen Untersuchungen zu quantifizieren. Dies ergibt sich aus den element- bzw. materialspezifischen, energieabhängig differenten Abschwächungskoeffizienten. Die Eignung von ds-DECT Techniken zur Materialquantifizierung im klinischen Alltag ist jedoch eingeschränkt, da es sich um quellenbasierte Spektraloptionen handelt, deren Energiespektren vor Durchführung jeder Untersuchung aktiv angepasst werden müssen. Hingegen gestattet die Dual-Energy Spektral-CT, die 2017 in die Klinik eingeführt wurde, die retrospektive Quantifizierung verschiedener Materialien auf Basis eines mit standardisierter Röhrenspannung generierten Datensatzes, ohne zusätzliche Strahlenbelastung.

Während die Eignung der ds-DECT zur Iodquantifzierung und zur Fett- und Eisenquantifizierung für einzelne Organe demonstriert wurde, fehlt es für die Dual-Energy Spektral-CT an Techniken, Studien, Methoden und Software.

Zielsetzung

Primäres Ziel dieser interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen UKE und TUHH ist die Entwicklung von Phantomen, Methoden, Analysealgorithmen und Software zur Fettquantifizierung und Eisenquantifizierung in Patienten durch die Dual-Energy Spektral-CT und Validierung dieser mittels Magnetresonanzspektroskopie (MRT) und Magnetresonanz-Relaxometrie.
Perspektivisch soll der Einfluss der erhobenen Messwerte auf das klinische Outcome der Patientinnen und Patienten untersucht werden.

Der Spektral-Computertomograph (CT) (a); materialspezifische Abschwächungskoeffizienten für Fett, Weichgewebe und Knochen in Abhängigkeit von der keV (b); Referenz-Magnetresonanztomograph (c).

Vorgehensweise

Die Vorgehensweise sieht vor, über Phantommessungen die notwendigen Methoden und Software zu entwickeln, um langfristig im Rahmen von Patientenstudien die Fett- und Eisenquantifizierung mittels Dual-Energy Spektral-CT zu validieren. Um die Eignung der entwickelten Algorithmen für patientenähnliche dreidimensionale Strukturen zu prüfen, werden selbstentwickelte und mittels 3D-Druck im Institut für Biomedizinische Bildgebung angefertigte Phantome verwendet. Es erfolgen Phantommessungen mit Konzentrationsreihen aus Fett,  Calciumkarbonat und Eisen. Die Erstellung der Phantominhalte erfolgt in Zusammenarbeit mit dem Institut für Biochemie und Molekulare Zellbiologie des UKE. Abschließend erfolgen Phantommessungen in zertifizierten MRT und CT kompatiblen Prüfkörpern.

Die Entwicklung der Methoden und Algorithmen erfolgt auf den rekonstruierten Dual-Energy Spektral-CT Bildern. Dazu werden automatische Segmentierungstools für die jeweiligen Körperregionen entwickelt. Auf den segmentierten Daten werden Auswertungen zur Quantifizierung vorgenommen und mit den Messergebnissen der Referenzbildgebung verglichen. Die Bilddaten werden zusätzlich mit den energieabhängigen Abschwächungskurven gewichtet, um eine verbesserte Differenzierung der einzelnen Stoffe zu ermöglichen. Abschließend werden die elementspezifischen, farblich kodierten Bilddaten mit den CT-Bildern koregistriert.

Nach Softwareentwicklung und Validierung der Dual-Energy Spektral-CT Messergebnisse durch die MRT an Phantomen folgen erste Messungen am Patienten. Positiv beschiedene Ethikanträge der Ethikkommission der Ärztekammer Hamburg liegen vor. Eingeschlossen werden Patientinnen und Patienten, die aus klinischer Indikation CT Untersuchungen des Abdomens benötigen. Sämtliche Patienten erhalten zusätzlich eine MRT-Untersuchung ohne Kontrastmittel.


Publikationsliste

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Deep Learning Methoden für die AR-Ultraschall geführte Punktion von Strukturen

Projekt 03FMTHH20

Deep Learning Methoden für die AR-Ultraschall geführte Punktion von Strukturen

Ausgangssituation

Punktionen sind ein essentieller Bestandteil therapeutischer und diagnostischer medizinischer Maßnahmen. Die Präzision der Nadelführung, die Adjustierung der Nadelausrichtung und die Diskriminierung zwischen Zielstrukturen und vulnerablen Strukturen sind nicht nur für den Punktionserfolg, sondern insbesondere auch in Hinblick auf mögliche Punktionskomplikationen von hoher Bedeutung. Zur Visualisierung der Zielstrukturen und präzisen Platzierung der Nadelspitze im Zielgebiet werden heutzutage häufig bildgebende Verfahren, wie der Ultraschall (US) oder andere Modalitäten der Schnittbildgebung eingesetzt. Die korrekte Durchführung von Punktionen setzt allerdings eine große Erfahrung und hohe Expertise des durchführenden Arztes voraus.

Das sichere Handling von Ultraschallkopf und Nadel erfordert eine gute Hand-Auge-Koordination und visuell-räumliches Wahrnehmungsvermögen. Auch die Einhaltung steriler Punktionsbedingungen muss hierbei berücksichtigt werden und erfordert ein hohes Maß an Training. Abweichungen von der Norm in anatomischen Strukturen erschweren die Orientierung und Navigation im Gewebe.

Beispiele für Komplikationen sind z.B. arterielle Fehlpunktionen bei der Anlage venöser Katheter, Nervenläsionen bei Regionalanästhesieverfahren oder die Verletzung von Bauchorganen bei Aszitespunktionen.

Zu untersuchen ist, ob eine Unterstützung via Augmented Reality (AR) die Präzision von Punktionen optimieren und somit die Komplikationsrate reduzieren kann.

Zielsetzung

Unser Ziel ist es, im Rahmen des vorgestellten Projektes ein prototypisches System zu evaluieren, welches die US-Bild geführte Punktion mittels AR unterstützt. Vor Beginn einer Punktion wird ein 3D-US-Übersichtsscan der Zielregion erstellt. Hierbei werden die Bewegungen des Ultraschallkopfes sowie die der untersuchten Oberflächenstruktur mit Hilfe der stereoskopischen Kameras der AR-Brille verfolgt. Auf Basis dieser Bewegungsprofile werden die 2D-US-Bilddaten zu einem 3D-US-Scan zusammengesetzt.

Anschließend erfolgt der übliche Punktionsvorgang, wobei die aktuellen 2D-US-Bilddaten durch den 3D-US-Scan augmentiert werden. Automatisch segmentierte anatomische Strukturen aus dem 3D-US-Scan werden unter der Hautoberfläche in 3D gerendert und dienen als Landkarte zur weiteren Positionierung von Ultraschallkopf und Nadel. Zusätzlich kann eine optimale Positionierung des Schallkopfes und eine zugehörige Nadeltrajektorie für eine bestimmte Zielregion bzw. -position angezeigt werden. Dieses System soll kurzfristig in der Ausbildung am Phantom sowie in der Supervision und langfristig im klinischen Alltag einsetzbar sein.

Darstellung des Punktionsvorgangs mit AR-Ultraschall Unterstützung. (A) Zu Beginn der Punktion wird ein 3D-US-Scan erzeugt, wobei der Behandler mit dem Ultraschallkopf in einem Zielbereich verschiedene Positionen abfährt. Das erzeugte 3D-Volumen wird im nächsten Schritt (B) genutzt, um an der Position eines neuen 2D-US-Scans die anatomischen Strukturen (rot – Gefäß, blau – Zielstruktur) mit Hilfe der AR-Brille in 3D unter der Hautoberfläche zu rendern. Schließlich werden Vorschläge für eine optimierte US-Position und Nadeltrajektorie angezeigt (C).

Vorgehensweise

Zu Beginn erfolgt der Aufbau eines Punktionsphantoms, welches realistische haptische Eindrücke und US-Bilddaten während des Punktionsvorgangs erzeugt und eine quantitative Beurteilung der Präzision der Punktion gewährleistet.

Anschließend folgt die Untersuchung maschineller Lernverfahren zur Zusammensetzung eines 3D-US-Übersichtscans basierend auf den 2D-US-Daten. Hierfür sollen unter anderem die Informationen des stereoskopischen Trackings von Hautoberfläche und Ultraschallkopf genutzt werden.

Der dritte Meilenstein besteht in der Untersuchung maschineller Lernverfahren zum 3D Rendering anatomischer Strukturen (im Modell z.B. Blutgefäße oder große Nerven). Die Strukturen sollen in den 3D-US-Bilddaten automatisiert segmentiert und anschließend anhand der Positionsinformationen des aktuellen 2D-US-Bildes bzw. des Schallkopfes positioniert werden.

Schließlich werden Methoden des maschinellen Lernens evaluiert, um nach Vorgabe einer Zielstruktur mithilfe der AR-Brille eine optimale Positionierung von Schallkopf und Nadel anzuzeigen.

Im Rahmen dieses Projektes werden wir die entwickelten Methoden zunächst im Rahmen eines Experimentalaufbaus evaluieren. In Simulationsstudien folgt die Überprüfung von Sicherheit und Machbarkeit der Methode in einem Proof-of-Concept-Ansatz, welche durch Ärzte verschiedener Ausbildungsstufen am Trainingsphantom durchgeführt werden.


Beteiligte

Johanna Sprenger, M.Sc.
Projektleitung TUHH, Entwicklung und Evaluation der Methoden
Institut für Medizintechnische und Intelligente Systeme
TUHH

Sarah Latus, M.Sc.
Stellv. Projektleitung, Organisation
Institut für Medizintechnische und Intelligente Systeme
TUHH

Prof. Dr.-Ing. Alexander Schlaefer
Institut für Medizintechnische und Intelligente Systeme
TUHH

Dr. med. Philipp Breitfeld
Projektleitung UKE
Arbeitsgruppe Informationsmanagement
Klinik für Anästhesiologie
UKE

Prof. Dr. med. Christian Zöllner
Klinik für Anästhesiologie
UKE

 


Publikationsliste

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Auswirkungen von Typ 2 Diabetes Mellitus auf das Frakturverhalten und die biomechanischen Eigenschaften im kortikalen Knochen

Projekt 02FMTHH20

Auswirkungen von Typ 2 Diabetes Mellitus auf das Frakturverhalten und die biomechanischen Eigenschaften im kortikalen Knochen

Ausgangssituation

Bei der metabolischen Erkrankung Typ 2 Diabetes Mellitus besteht eine Unempfindlichkeit der Zellen gegenüber des Hormons Insulin. Aufgrund der alternden Gesellschaft, einem zunehmend gesetzten Lebensstil sowie erhöhtes Vorkommen von Übergewicht steigt die Prävalenz von Typ 2 Diabetes Mellitus weiter an. Im Verlauf der Krankheit kann es zu Schädigungen des kardiovaskulären Systems, der Nieren und Nerven kommen. Zusätzlich geht Typ 2 Diabetes Mellitus mit einem erhöhten Frakturrisiko einher, dessen Ursachen bislang unzureichend erforscht sind. Dieses liegt auch an der Tatsache, dass entsprechende Technologien das Frakturrisiko bei Diabetes nicht darstellen können. Patienten mit Typ 2 Diabetes Mellitus zeigen oft trotz erhöhtem Frakturrisiko eine normale oder sogar erhöhte Knochenmineraldichte auf. Da die Diagnose eines erhöhten Frakturrisikos bisher auf der Bestimmung der Knochenmineraldichte basiert, wird die Diagnose von Diabetes Patienten mit erhöhtem Frakturrisiko erschwert. Entscheidende Knochenmaterialqualitätsparameter können jedoch nicht ohne weiteres mit den aktuell vorhandener Medizintechnik und klinischen Bildgebungsmodalitäten quantifiziert werden. Zur Bestimmung der zugrundeliegenden Mechanismen der diabetischen Knochenkrankheit sind daher Analysen am Knochengewebe erforderlich, um Daten erheben zu können welche dann in die Verbesserung der medizinisch-technischen Diagnosemöglichkeiten einfließen können.

Zielsetzung

Obwohl es bereits erste Studien gibt, welche die Veränderungen der Knochenmaterialqualität unter Typ 2 Diabetes Mellitus analysieren, fehlt es bislang an direkten Korrelationen zwischen Knochenmaterialqualitätsparametern und dem Frakturverhalten von diabetischen Knochen. Aus diesem Grund sollen in diesem Projekt die Kollagen- und Mineraleigenschaften, als maßgebliche Bestandteile der Knochenmatrix, mit der Bruchzähigkeit und dem Kriechverhalten der diabetischen Knochenmatrix korreliert werden, um die veränderte Knochenmatrix mit dem Frakturverhalten zu verstehen.

Vorgehensweise

Um das Frakturverhalten von Knochen im Labor zu ermitteln, werden zunächst Bruchzähigkeitstests in an diabetischen und gesunden Knochen durchgeführt. Für die Festigkeit des Knochens spielt der Mineralgehalt eine entscheidende Rolle. Daher werden die Knochendichte und der Mineralgehalt der Probe mit Hilfe von hochauflösender Bildgebung bestimmt. Zur Untersuchung des Verhaltens des Knochens unter Belastung, werden die Knochenproben mit einer Indenterspitze punktiert. Aufgrund der verschiedenen Methoden kann das Frakturverhalten mit Informationen zur Knochenmaterialqualität (Mineralisation, Knochendichte, Steifigkeit) korreliert und so der Einfluss von Diabetes Mellitus auf die Eigenschaften der Knochenmatrix näher definiert werden. Ziel ist es die Haupteinflussfaktoren zu identifizieren, die mit dem Frakturrisiko bei Diabetes korrelieren. Diese Faktoren sollen dann in die Diagnoseprotokolle von aktuellen medizinisch-technischen Bildgebungssystemen implementiert werden, um die Knochengesundheit von Diabetespatienten genauer zu beobachten und langfristig zu schützen.


Publikationsliste

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Hydrogels and aerogels with tunable stiffness for endothelial cell culture

Projekt 01FMTHH20

Hydrogels and aerogels with tunable stiffness for endothelial cell culture

Ausgangssituation

Blood and lymphatic vessels are lined by endothelial cells (ECs) which constantly interact with their luminal and abluminal extracellular environments. These interactions confer physical forces on the endothelium, such as shear stress, stretch and matrix stiffness, to mediate biological responses. Physical forces are often altered during disease, driving abnormal EC behaviour and pathology. Therefore, it is critical to understand the mechanisms by which ECs respond to physical forces. Traditionally, ECs in culture are grown in the absence of flow on stiff substrates such as plastic or glass. These cells are not subjected to the physiological forces that ECs endure in vivo, thus the results of these experiments often do not mimic those observed in the body. The Frye lab investigates how changes in extracellular matrix (ECM) stiffness regulates endothelial behaviour in development and disease.

Although a wide range of physical and chemical hydrogel gelation methods have been developed, it still remains challenging to combine desired chemistry, pore topology and microstructure, mechanical properties, long-term stability and sterilizability. Furthermore, scalability, i.e. ability to process hydrogels at a pilot and industrial scale, should not be left aside. To circumvent these challenges, the Gurikov lab is developing gentle methods towards gelation using pressurized carbon dioxide as gelation trigger. The use of CO2 strengthens the hydrogel resulting in self-standing gels even at low polymer concentration and therefore can provide a convincing solution to mimic a more physiological environment for 2D and 3D EC culture.

Zielsetzung

Our overall aim is to develop a new class of biopolymer-based hydrogel matrices which possess controllable stiffness and can thereby closely mimic physiological conditions for the growth of ECs in culture. We aim to develop an inexpensive and scalable processing of soft hydrogels, which can be utilized for sterile 2D and 3D cell culture applications. Furthermore, we aim to convert hydrogels into their solid form, into so called aerogels, to maintain a long shelf life time. Comprehensively, we will establish structure-performance relationships from comprehensive structural characterization of the hydro- and aerogels to an in-depth characterization of blood and lymphatic EC behaviour on hydrogels and aerogels.

Vorgehensweise

We will generate alginate-based and hybrid polymer hydrogels within physiological and pathological stiffness ranges and achieve homogeneous polymer distribution through carbon dioxide-induced gelation. To control EC adhesion, additional biopolymers and RGD peptides will be integrated. Hydrogels will be processed into aerogels through a established procedure (water is exchanged with ethanol followed by supercritical drying). Hydrogel and aerogels will be subjected to structural characterization using Scanning Electron Microscopy, nitrogen sorption analysis and microscale stiffness measurements via Atomic Force Microscopy and nano-indentation.

We will characterize blood and lymphatic EC behaviour on (2D) and within (3D) our novel hydrogel matrices. To this end, we will study EC morphology and cell-matrix adhesions and cell-cell junctions using confocal and super-resolution microscopy. In parallel, we will analyse mRNA expression in ECs cultured on/in different hydrogels and correlate expression data with our stiffness RNAseq database. To functionally characterize EC behaviour, we will study migration and sprouting capacity of ECs on/in different stiffness matrices and assess the regulation of EC monolayer permeability via the hydrogel microenvironment. If successful, our novel hydrogels could provide a more physiological basis for in vitro cell culture of several other adherent cell types.


Beteiligte

Dr. Pavel Gurikov
Head of the Laboratory for Development and Modelling of Novel Nanoporous Materials
Institute of Thermal Separation Processes
TUHH

Prof. Dr.-Ing. Irina Smirnova
Institute of Thermal Separation Processes
TUHH


Publikationsliste

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Entwicklung bionischer Zahnimplantate mittels struktureller Optimierungsmethodik

Projekt 02FMTHH15

Entwicklung bionischer Zahnimplantate mittels struktureller Optimierungsmethodik

Ausgangssituation und Zielsetzung

Die Bionik erforscht biologische Konstruktions- und Entwicklungsprinzipien und überträgt sie auf das Design medizinischer Produkte. Obwohl allein in Deutschland jedes Jahr ca. 1 Millionen Zahnimplantate gesetzt werden, besteht keine Einigkeit über die ideale Form, Größe und Anzahl der Implantate, da die Entwicklungsprinzipien der zu ersetzenden menschlichen Zahnwurzeln unklar sind.
Ziel dieses Förderungsantrages war es geotechnische Topologieoptimierungsmodelle auf den
menschlichen Zahnhalteapparat zu übertragen, um die grundlegenden Mechanismen der Zahnwurzelbildung zu verstehen.

Vorgehensweise

Für die Modellerstellung wurde die Dimension der Zahnwurzel und des Kieferknochens an digitalen Volumentomographien von Patienten mit physiologischen Knochenverhältnissen ermittelt.
Aus den gemittelten Werten wurde eine vereinfachtes Finite Elemente Modell erstellt und die Materialeigenschaften von Zahn und Alveolarknochen an humanen Autopsie-präparaten mittels mikro-Computertomographie und Nanoindentation bestimmt. Die Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP)-Methode war für die Simulation der
Zahnwurzel nicht geeignet. Die Soft Kill Option (SKO)-Methode zeigte hingegen gute
Optimierungsergebnisse. Mit der SKO-Methode konnte damit erstmals ein numerisches Modell erstellt werden, dass die Wurzelbildung ohne Formvorgaben dreidimensional beschreibt.
Basierend auf diesen Vorarbeiten soll in einem Folgeprojekt das entwickelte Optimierungsmodell an digitalen Volumentomographien implantologischer Patienten mit pathologischem Knochenabbau angewendet und für die Simulation dentaler Implantate eingesetzt werden.


Beteiligte

Dr. med. dent. Till Köhne

Projektleitung

Zentrum für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde

UKE

Dr. Karlotta-Franziska Seitz

Projektleitung

Institut für Geotechnik und Baubetrieb

TUHH

Prof. Dr. Jürgen Grabe

Institutsleiter

Institut für Geotechnik  und Baubetrieb

TUHH


Publikationsliste

  • K. Seitz, J. Grabe, T. Koehne, A three-dimensional topology optimization model predicting tooth-root morphology. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. (in Revision)
  • Schaupeter, E. (2017): Studie zur Anwendung von Strukturoptimierungsverfahren für bionische Zahnimplantate. Bachelorarbeit am Institut für Geotechnik und Baubetrieb, TUHH
  • Bröhan, J. (2016): Studie zur Anwendung von Strukturoptimierungsverfahren auf Zahnwurzeln. Bachelorarbeit am Institut für Geotechnik und Baubetrieb, TUHH.
  • Engel, T. (2016): Studie zu bionischen Gründungen am Beispiel von Zahnwurzeln im dreidimensionalen Modell. Bachelorarbeit am Institut für Geotechnik und Baubetrieb, TUHH
  • Edding, E. M. (2016): Studie zur Optimierung von Gründungen am Beispiel von Zahnwurzeln. Bachelorarbeit am Institut für Geotechnik und Baubetrieb, TUHH.
  • Sander, M. (2015): Studie zu bionischen Gründungen am Beispiel von Zahnwurzeln. Bachelorarbeit am Institut für Geotechnik und Baubetrieb, TUHH


Maschinelles Lernen zur Datenaufbereitung in der Laser-Tumor-Theragnostik

Projekt 04FMTHH17

Maschinelles Lernen zur Datenaufbereitung in der Laser-Tumor-Theragnostik

Ausgangssituation

Mit einem Picosekunden-Infrarotlaser (PIRL) können Gewebeproben durch kalte Verdampfung sehr schonend entnommen werden. Dabei bleiben sehr empfindliche Biomoleküle wie Proteine intakt und sogar enzymatisch aktiv. Damit liefert diese Technologie die ideale Voraussetzung für die Gewinnung von Proben wie zum Beispiel von karzinogene Tumoren zur Suche nach Krebs-Markern sowie zur minimal-invasiven Gewebe-Diagnostik. Voraussetzung für eine solche Diagnostik ist die Identifizierung und Validierung von Krebsmarker-Panel.

Zielsetzung

Ziel ist es, eine informatische Lösung zu entwickeln, mit der aus den Proteomics-Daten und den Phänotypen der Krebspatienten Krebsmarker-Protein-Panel erstellt werden können, die als Basis für eine PIRL-basierte Krebsgewebe-Theragnostik dient.

Vorgehensweise

Die Analyse einer Probe hinsichtlich der Frage, ob es sich um einen Krebsgewebe-Subtyp handelt oder nicht, führt mathematisch auf ein Klassifikationsproblem. Ausgehend von klassifizierten Trainingsdaten soll ein neuronales Netz trainiert werden, um einzelne Marker bzw. ganze Markerpanel zu identifizieren.


Beteiligte

Dr. rer. nat. Christian Seifert
Oberingenieur
Institut für Mathematik
TUHH


Erforschung des Zusammenhangs zwischen Alter, skelettaler Mobilität, Diät und lebenslanger Knochengesundheit durch intelligentes Langzeitbewegungstracking des Zebrafisches

Projekt 03FMTHH18

Erforschung des Zusammenhangs zwischen Alter, skelettaler Mobilität, Diät und lebenslanger Knochengesundheit durch intelligentes Langzeitbewegungstracking des Zebrafisches

Ausgangssituation

Die Erhaltung lebenslanger muskuloskelettaler Gesundheit und Frakturresistenz spielt eine zentrale Rolle für die Mobilität der alternden Bevölkerung. Im Bereich der Osteologie und Biomechanik wird Knochengesundheit in der Regel in Form von Knochenqualitätsparametern beschrieben, welche Aussage über die Knochendichte, den Mineralisationsgrad und die Mikrostruktur, -architektur und -komposition des Gewebes zulassen. Wobei bekannt ist, dass sowohl in Menschen als auch in Knochenfischen Einflussfaktoren wie mechanische Belastung den Aufbau und die Anpassung von Knochen befördern können, ist der Zusammenhang zwischen Mobilität und Knochenqualität bisher unzureichend erforscht. Um die Zusammenhänge verschiedener Einflussfaktoren auf die Skelettgesundheit im Alter systematisch zu ergründen, werden in der Regel Populationsstudien an Modellorganismen durchgeführt, welche häufig auf enorme administrative, finanzielle und ethische Ressourcen angewiesen sind. Die Beobachtung einer Gruppe von Modellorganismen durch einen Menschen ist, insbesondere bei großen Gruppen und langen Beobachtungszeiträumen, nicht praktikabel. Des Weiteren ist dabei die Möglichkeit quantitativer Aussagen limitiert. Methoden des Deep Learning bieten daher einen vielversprechenden Ansatz, die Bewegungsmuster von Individuen innerhalb von Gruppen zu tracken.

Zielsetzung

In diesem Projekt wollen wir durch die Etablierung eines intelligenten 3D Bewegungstracking und Life-imaging Systems für kleine Laborfischmodelle (Zebrafisch – Danio rerio) die Zusammenhänge zwischen körperlicher Mobilität und Skelettgesundheit untersuchen. Spezifisch von Interesse sind für uns hierbei die Etablierung eines Systems zur automatisierten Erkennung individueller Fische in Aquarien sowie die Erfassung von 3D Trajektorien; die Analyse der Abhängigkeit von skelettaler Aktivität und Alter, sowie die Bestimmung von Knochenqualitätsparametern der individuellen Fische.

Vorgehensweise

Um quantitative Aussagen über die Bewegungsmuster der Fische treffen zu können, muss das intelligente Bewegungstracking die Identität und Position jedes Fisches im Aquarium erkennen können. Das System muss sowohl das Tracking selbst, also auch eine Identifizierung der individuellen Fische umfassen. Convolutional Neural Networks (CNNs) dominieren seit einigen Jahren das Identifizieren von Objekten in Bild- und Videodaten und sie sind in der Lage, automatisch relevante Unterscheidungsmerkmale von Objekten zu lernen. Im Rahmen dieses Projekts sollen CNNs dazu verwendet werden, um individuelle Fische zu identifizieren. In Kombination mit hochauflösender Bildgebung (microCT imaging und Elektronenmikrosopie) der Fische können somit Korrelationen zwischen skelettaler Aktivität (3D Trajektorien) und Knochengesundheit (Mineralisierung, mechanische Kompetenz) bestimmt werden.

Darüber hinaus hat die zu entwickelnde 3D Tracking-System das besondere Potential, den Bedarf an großen Versuchstiergruppen sowie Kontrollgruppen zu vermindern und kann somit ethische Bestrebungen im Rahmen des 3R Prinzips (Reduce, Refine, Replace) zur Reduzierung von Versuchstieren befördern.


Beteiligte

Imke Fiedler
Wissenschaftliche Mitarbeiterin
Heisenberg Research Group & Bioengineering and Medical Technology Division
c/o Institut für Osteologie und Biomechanik (IOBM)
UKE

DEBAYAN BHATTACHARYAN M.Sc.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Institut für Medizintechnische und Intelligente Systeme
TUHH

Martin Gromniak M.Sc.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Institut für Medizintechnische und Intelligente Systeme
TUHH


Publikationsliste


Assessment of diabetes-induced changes of bone tissue: Experimental identification of fracture risk factors and treatment options in Diabetes Mellitus Type 1 and 2

Projekt 04FMTHH15

Assessment of diabetes-induced changes of bone tissue: Experimental identification of fracture risk factors and treatment options in Diabetes Mellitus Type 1 and 2

Ausgangssituation

The project “Assessment of diabetes-induced changes of bone tissue: Experimental identification of fracture risk factors and treatment options in Diabetes Mellitus Type 1 and 2” was funded by the FMTHH as a cooperation between the Department of Osteology and Biomechanics (UKE) and the Institute for Biomechanics (TUHH).

Diabetes Mellitus is a metabolic disease with increasing prevalence affecting several organs in the body including the bone. Patients with both types of diabetes mellitus suffer from an increased fracture risk, which is hardly detectable with common diagnosis techniques, pointing towards an impaired bone material quality.

Zielsetzung

One possible impairment of the diabetic bone quality might be induced by increased accumulation of advanced glycation end-products (AGE) within the bone matrix. Therefore, the aim of this project was to combine the expertise in computed tomography and fluorescence microscopy from the TUHH with the expertise in Fourier-transform infrared microscopy (FTIR) and histomorphometry at the UKE to establish and apply new analysis methods to determine AGE accumulation within the bone matrix.

Vorgehensweise

Primary, bone treated with ribose was analysed with different techniques (high pressure liquid chromatography, fluorescence microscopy, FTIR, and fluorometric assay) to determine AGEs within artificially aged bone which was published by Schmidt et al. (Bone 2017). Further analysis of bone material quality analysis of human diabetic bone tissue were performed and presented at national and international conferences such as the meeting of the European Calcified Tissue Society and the American Society for Bone and Mineral Research.


Beteiligte

Dr. Graeme Campbell, PhD
Projektbearbeitung
Institut für Biomechanik
TUHH

 

Dr. Elizabeth Zimmermann, PhD

Heisenberg Research Group & Bioengineering and Medical Technology Division
c/o Institut für Osteologie und Biomechanik (IOBM)

UKE

Dr. Björn Busse

Heisenberg Research Group & Bioengineering and Medical Technology Division
c/o Institut für Osteologie und Biomechanik (IOBM)

UKE


Publikationsliste

Campbell GM, Picke A-K, Hofbauer C, Busse B, Hofbauer LC, Morlock MM, Using active shape models to quantify impeded skeletal development in an early-onset rat model of type 2 diabetes mellitus. In: The International Bone Minearal Densitomemtry Workshop. Banz, Germany; 2017

Campbell GM, Schmidt FN, Morlock MM, Busse B, The relationship between advanced glycation endproducts and local bone mechanics using fluorescence microscopy and reference point indentation. In: The International Bone Minearal Densitomemtry Workshop. Banz, Germany; 2017

Campbell GM, Picke A-K, Hofbauer C, Busse B, Hofbauer LC, Morlock MM, The effect of early-onset type 2 diabetes mellitus on the development of bone shape in rats. In: 44th European Calcified Tissue Society Congress. Salzburg, Austria; 2017


Folgeprojekte/ Drittmittel

The profound cooperation between the FMTHH laboratories of Prof. Dr. Busse (UKE), Prof. Dr. Morlock (TUHH), Prof. Dr. Schneider (TUHH), and Prof. Dr. Püschel (UKE) led to further research projects and exchange between young scientists.

Subsequent grants are currently funded by the German Research Society (https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/394482524), and an Innovative Training Network by the European Union’s Horizon 2020 Marie Skłodowska-Curie (Fidelio – https://www.fidelio-project.eu/).

These projects are focussing on the increased fracture risk in the diabetic bone disease and aim to elucidate the underlying mechanism to allow for improved diagnosis techniques and better personalized treatment options for patients with diabetes mellitus.


Microfluidic bioreactor for 3D Cell Culture and Drug Screening of Hepatocellular Carcinoma Tumoroids

Projekt 05FMTHH15

Microfluidic bioreactor for 3D Cell Culture and Drug Screening of Hepatocellular Carcinoma
Tumoroids

Ausgangssituation

Hepatocellular carcinoma (HCC) represents the second largest contributor to cancer mortality worldwide. Currently, there is no curative treatment for advanced stage HCC, so development of new therapies is urgently required. However, testing new drugs in standard 2D cell culture does not reflect the complex structure of a 3D tumor. Therefore, the objective of this project is to develop a novel microfluidic bioreactor capable of cultivating 3D tumoroids, as in vitro models, for drug screening research. We aim to mimic the in vivo situation of tumor treatment with biocompatible materials and continuous perfusion of culture medium and drugs.

Zielsetzung und Vorgehensweise

Microsystem technology was used for the microfabrication of the microbioreactor with technologies such as photolithography, Deep Reactive Ion Etching, Self-Assembled Monolayer, Replica Molding, and Oxygen plasma bonding.
We designed a capture system for the tumoroids within the microfluidic bioreactor consisting of micro pillars which also allows continuous supply with medium and drugs. Computational FluidDynamics was used to understand the effect of parameters such as flow velocity and stress. During the experiments, we observed that micropillars size, shape and configuration, are important factors for their stability and function when increasing microflow pressure and the design was optimized accordingly. In order to avoid cell attachment to the bottom surface, we cultured HepG2, Hep3B and Huh-7 cell lines on polydimethylsiloxane. We confirmed biocompatibility and HepG2 cells were successfully grown as spherical tumoroids, which has remained healthy and viable for more than one week in the microbioreactor.

Furthermore, our design enables in situ viability assays and continuous monitoring for days by using calcein staining followed by fluorescent microscopy.
Thereby, we have developed a novel microfluidic bioreactor for HCC tumoroids culture and drug experimentation which could collaborate with the fight against cancer.


Beteiligte

Dr. med. Florian Ewald

Klinik für Hepatobiliäre Chirurgie und Transplantationschirurgie

UKE

Deybith Venegas-Rojas

Institut für Mikrosystemtechnik

TUHH

Prof. Dr. Hoc Khiem Trieu

Institut für Mikrosystemtechnik

TUHH


Publikationsliste

  • EMBL Conference Microfluidics 2016, July 24th-26th, 2016. EMBL Advanced Training
    Centre, Heidelberg, Germany.
  • ICMN 2017: 19th International Conference on Microfluidics and Nanofluidics (Accepted). 9-10 July, 2017, Prague, Czech Republic.
  • MikroSystemTEchnik Kongress 2017: MEMS, Mikroelektronik, Systeme (Accepted). 23-25, Oktober 2017, Munich, Germany.


Räumlich und zeitlich hochaufgelöste Analyse subzellulärer Calcium-Signale

Projekt 02FMTHH14

Räumlich und zeitlich hochaufgelöste Analyse subzellulärer Calcium-Signale

Calcium (Ca2+) dient als universaler Botenstoff zur Signalübertragung in Körperzellen. In Immunzellen vermittelt der Anstieg der freien zytosolischen Ca2+-Konzentration die Zellaktivierung (z.B. Vervielfältigung und Effektorfunktion von T-Zellen) und steuert damit essentiell die gezielte Immunantwort. Der [Ca2+]i-Anstieg wird über verschiedene sekundäre Botenstoffe vermittelt. Durch eine Hemmung des initial gebildeten sekundären Botenstoffs NAADP (Nicotinsäureadenindinukleotidphosphat) kann die Aktivität autoreaktiver T-Zellen gehemmt werden; die Hemmung der T-Zell-Effektorfunktion wiederum ist beispielsweise bei Behandlung von Autoimmunerkrankungen wünschenswert.

Die in dem durchgeführten Projekt etablierten fluoreszenzmikroskopischen Messverfahren und die implementierten algorithmischen Ansätze zur Analyse der Entstehung initialer [Ca2+]i-Signale sind einzigartig. Daten und Arbeiten zum Studium von Ca2+-Mikrodomänen mit vergleichbarer räumlicher und zeitlicher Bilddatenauflösung sind nicht bekannt. Auf Basis der gemessenen Daten konnte weiterhin das erste Mal detailliert die Bedeutung von RyR1 sowie von Orai und STIM im Kontext der initialen T-Zell Aktivierung belegt werden. Aus zellbiologischer Sicht werfen die aktuellen Ergebnisse und insbesondere die Bedeutung von z.B. Orai1 die Frage auf, inwieweit klassische Modelle zur Bildung initialer Ca2+-Mikrodomänen tatsächlich zutreffend sind; insbesondere die Rolle der in der Plasmamembran liegenden Kanäle und ihr zeitliches Zusammenwirken mit speichergesteuerter Ca2+-Freisetzung ist zu klären.


Beteiligte

Dr. Insa Wolf

Institut für Biochemie und Molekulare Zellbiologie
UKE

Dr. René Werner
Institut für Computational Neurosciences

UKE

Prof. Alexander Schlaefer

Institut für Medizintechnische und Intelligente Systeme

TUHH


Folgeprojekte

Erfolgreiche Anschlussfinanzierung in SFB 1328 Denine Nulceotides in Immunity and Inflammation [Sprecher: AH Guse]; aus fmthh-Projekt hervorgegangener Teilprojektantrag:

Arbeitspaket 02 (https://www.sfb1328.de/index.php?id=29) : Dynamic architecture of Ca2+microdomains in T cells: disentangling release and entry contributions [Antragsteller: IMA Wolf, R Werner].