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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

In Zusammenarbeit mit der Klinik für Herz- und Gefäßchirurgie des Universitätsklinikums Hamburg-Eppendorf (UKE) bearbeitet das Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik (PKT) sowie das Institut für Integrierte Schaltungen (IC) der TUHH das Projekt Hamburg TAVI-Studie.

Eine weit verbreitete Herzklappenkrankheit ist eine Stenose der Aortenklappe, durch die die Leistung des Herzens beeinträchtigt wird. Zur Behandlung kann alternativ zu einem operativen Eingriff auch ein neues, minimalinvasives Verfahren genutzt werden, die so genannte Transcatheter Aortic Valve Implantation oder kurz, TAVI Verfahren. Dabei wird eine zusammengefaltete Herzklappenprothese über eine Katheter zum Herzen geführt und dort entfaltet. Es wird jedoch vermutet, dass es durch das Zusammenfalten der Herzklappe zur Einführung in den Katheter sowie beim anschließenden Ballonieren der Herzklappe zu Schäden und damit zu einer Beeinträchtigung der Haltbarkeit kommt. Da das Verfahren noch sehr neu ist, gibt es bisher keinerlei Langzeitstudien, die den Leistungsverlauf der neuen Herzklappenprothese überwachen.

Im Rahmen des Vorhabens soll geprüft werden, ob ein Monitoring einer in ein 3D-Modell minimalinvasiv implantierten Herzklappe mithilfe von Sensoren möglich ist. Dadurch sollen Beschädigungen beim Einsetzen der Herzklappenprothese analysiert werden können.

Zur Erreichung des Ziels wird am PKT ein Herzmodell entworfen, dass die Integration von Sensoren ermöglicht und den Besonderheiten der minimalinvasiven Implantation von Herzklappenprothesen gerecht wird. Das Herzmodell soll in das Gesamtmodell HANNES integriert werden. Dadurch kann ein Pulsschlag sowie ein Volumenstrom realisiert werden, die mit den Sensoren überwacht werden, um so Beeinträchtigungen der Herzklappenprothese zu untersuchen.

Die Behandlung solider bösartiger Tumoren, also die der Karzinome, ist immer noch unbefriedigend. Der größte Rückgang der Krebssterblichkeit im letzten Jahr (2019) in den USA ist auf den Rückgang an Lungenkrebs zurückzuführen. Um die Reaktion von Karzinomen unter einer Chemotherapie besser monitoren zu können, soll ein elektrisches Verfahren, die Bio-Impedanzspektroskopie, benutzt werden, um die Stoffwechselreaktion eines Tumors auf Chemotherapiegabe mit Hilfe von kleinen Wechselspannungen zu messen. Durch diesen Ansatz hoffen wir, die Chemotherapie zielgenauer dosieren zu können, um so bessere Therapierfolge zu erzielen.

In diesem Projekt sollen mit Hilfe der Impedanzspektroskopie systematisch die Eigenschaften von Zellen verschiedener Organe untersucht und von denjenigen der Tumorzellen abgegrenzt werden. Dabei werden im Gegensatz zu den bisher üblichen Zwei-Elektroden-Messungen vier Elektroden bei der Charakterisierung eingesetzt, um parasitäre Effekte zu vermeiden. Die Impedanzspektroskopie lässt sich dann auch in dem Bereich niedriger Frequenzen unterhalb von 1 kHz verwenden, wobei zu klären ist, wieweit diese Erweiterung des Frequenzbereiches Informationen liefert, die eine tiefergehende Charakterisierung der Tumorzellen  ermöglichen. Diese Untersuchungen sollen nicht nur mit Zellkulturen durchgeführt werden, sondern auch in einer dreidimensionalen Anordnung des Tumors, um Ergebnisse zu erhalten, die eine möglichst hohe Aussagekraft zur Vorbereitung einer klinischen Anwendung haben.

Während des Projektes sind bisher umfangreiche Messungen an Tumorzellen von Kulturen und von Explantaten durchgeführt worden. Es konnte gezeigt werden, dass es insbesondere im Bereich tiefer Frequenzen zu signifikanten Unterschieden in den Frequenzverläufen zwischen verschiedenen Tumorzelllinien kommt. So ist nicht nur die Höhe des Betrages der Impedanz, sondern auch die Frequenz für den Übergang von einem frequenzunabhängigen zu einem frequenzabhängigen Impedanzverlauf zellspezifisch.

Diese Untersuchungen werden gegenwärtig mit weiteren Zelllinien fortgesetzt. Weiterhin sollen spezielle Kammern optimiert und miniaturisiert werden, mit denen die Impedanz von Zellen in Suspension im niedrigen Frequenzbereich mittels Vier-Elektroden-Terminal-Setup gemessen werden kann. Um das Messsystem an die in vivo Situation eines soliden Tumors anzupassen, sollen Elektroden entwickelt und getestet werden, die eine Bio-Impedanzmessung von adhärenten Tumorzellen ermöglichen.

Das MPI hat gegenüber den etablierten Verfahren eine Vielzahl von Vorteilen bei der Perfusionsbildgebung: Die verwendeten Eisenoxid-basierten Tracer werden im retikuloendothelialen System (RES) des Körpers, allen voran in der Leber, abgebaut und dem Eisenstoffwechsel zugeführt. MPI ermöglicht damit prinzipiell die Untersuchung bei Patienten mit Niereninsuffizienz, Schilddrüsenüberfunktion oder entsprechenden Allergien, bei denen die Verwendung jodhaltiger Kontrastmittel nur unter Inkaufnahme erheblicher Risiken möglich ist. Auch Gadolinium-haltige Kontrastmittel müssen nach neuesten Erkenntnissen zu Ablagerungen in den Basalganglien des Gehirns zunehmend infrage gestellt werden. Neben der räumlichen Abbildung größerer Gefäße und direkter Quantifizierung von Gefäßstenosen können aus den Bildern auch physiologische Parameter wie Viskosität, Temperatur, Blutvolumen und Flussgeschwindigkeit abgeleitet werden. Nach Verteilung der Partikel und Erreichen eines Gleichgewichtszustands unter Verwendung langzirkulierender Tracer könnte der gesamte Gefäßbaum und die Gewebedurchblutung visualisiert und quantifiziert werden. Auch in roten Blutkörperchen eingekapselte Tracer erlauben die Bildgebung über wochenlange Zirkulation im Körper. Da MPI keinen Zusammenhang zwischen Auflösung und Eindringtiefe zeigt, wird auch die Bildgebung tieferer sitzender Organe möglich als es z.B. die Sonographie erlaubt. Durch die komplexe Abhängigkeit von Selektionsfeldstärke, Messfeldvolumen und Auflösung lassen sich bisher jedoch nur kleine Volumen in ausreichender Qualität abbilden.

Das MPI hat gegenüber den etablierten Verfahren eine Vielzahl von Vorteilen bei der Perfusionsbildgebung: Die verwendeten Eisenoxid-basierten Tracer werden im retikuloendothelialen System (RES) des Körpers, allen voran in der Leber, abgebaut und dem Eisenstoffwechsel zugeführt. MPI ermöglicht damit prinzipiell die Untersuchung bei Patienten mit Niereninsuffizienz, Schilddrüsenüberfunktion oder entsprechenden Allergien, bei denen die Verwendung jodhaltiger Kontrastmittel nur unter Inkaufnahme erheblicher Risiken möglich ist. Auch Gadolinium-haltige Kontrastmittel müssen nach neuesten Erkenntnissen zu Ablagerungen in den Basalganglien des Gehirns zunehmend infrage gestellt werden. Neben der räumlichen Abbildung größerer Gefäße und direkter Quantifizierung von Gefäßstenosen können aus den Bildern auch physiologische Parameter wie Viskosität, Temperatur, Blutvolumen und Flussgeschwindigkeit abgeleitet werden. Nach Verteilung der Partikel und Erreichen eines Gleichgewichtszustands unter Verwendung langzirkulierender Tracer könnte der gesamte Gefäßbaum und die Gewebedurchblutung visualisiert und quantifiziert werden. Auch in roten Blutkörperchen eingekapselte Tracer erlauben die Bildgebung über wochenlange Zirkulation im Körper. Da MPI keinen Zusammenhang zwischen Auflösung und Eindringtiefe zeigt, wird auch die Bildgebung tieferer sitzender Organe möglich als es z.B. die Sonographie erlaubt. Durch die komplexe Abhängigkeit von Selektionsfeldstärke, Messfeldvolumen und Auflösung lassen sich bisher jedoch nur kleine Volumen in ausreichender Qualität abbilden.

Ziel dieses Projektes ist das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des Messsignals durch ein optimiertes, multidimensionales Empfangssystem so zu verbessern, dass die Auflösung trotz vergrößertem Messfeld durch reduzierten Gradienten erhalten bleibt. Erst damit werden hochauflösende Perfusionsstudien der Nieren bei gleichzeitiger Erfassung der zuführenden großen Gefäße ermöglicht.

Zusätzlich wird eine Analyse des Blutflusses ermöglicht (z.B. Flussgeschwindigkeit und Turbulenzen). Gleichzeitig kann der resultierende Perfusionsabfall der betroffenen Niere im Vergleich zur Gegenseite abgebildet und quantifiziert werden. Die Ergebnisse werden mit etablierten Methoden korreliert.

Mit der bereits vorhandenen Empfangskette und 3D gedruckten Phantomen werden Voruntersuchungen zur Versuchsplanung durchgeführt. Auch werden in den Versuchen die Zielparameter für die Hardwareentwicklung (benötigte Empfangsbandbreite, Sensitivität, maximale Kontrastmittelgabe etc.) entwickelt.

Sodann wird durch eine Erweiterung des derzeit vorliegenden 1D Systems durch zwei Sattelspulen eine 3D Signalakquisition ermöglicht.

Parallel wird ein adaptiver, rauscharmer Verstärker, der die Signale in Abhängigkeit der empfangenen Intensität unterschiedlich verstärkt, entwickelt und gebaut. Dieser kann die unbekannte Verteilung des Tracers im biologischen System und die daher nicht voraussehbare Empfangssignalstärke und Signalverteilung kompensieren.

Der Picoseconds Infrarotlaser (PIRL) soll die Narbenbildung des beschädigten Gewebes minimieren, um so die Funktionsfähigkeit des betroffenen Organs zu erhalten und die Lebensqualität des Patienten möglichst wenig zu beeinträchtigen. Durch das Verdampfen spezifischer Moleküle ohne die Beschädigung des umgebenden Gewebes können mit PIRL Schnittwunden minimiert werden. Im Gewebedampf sind sensitive Biomoleküle wie z.B. Proteine nachweisbar, wodurch weitergehende massenspektrometische Diagnostik möglich wird. Von der Führung des PIRL durch einen gelenkten Roboter erhofft man sich ein hohes Maß an Genauigkeit und einen präzisen Abtragungsvorgang. Roboter wie z.B. Hexapoden in Verbindung mit einer hochauflösenden Bildgebungsmethode wie der optischen Kohärenztomografie (OCT) ermöglichen das Arbeiten im Mikrometerbereich.

Die Entwicklung des Picoseconds Infrarotlasers (PIRL) hat im medizinischen Umfeld viele Vorteile gebracht. Doch im Umgang mit unerwarteten Gegebenheiten traten bei der Anwendung von PIRL verschiedene Probleme auf. In diesem Projekt soll eine Softwarearchitektur entwickelt werden, um das System nachzubilden und diese Probleme zu erfassen. Zusätzlich zu PIRL wird durch Verwendung der optischen Kohärenztomografie eine räumliche Abbildung der gesammelten Biomoleküle auf Basis hochauflösender optischer Bildgebung im Mikrometerbereich benötigt. Ein integriertes Robotersystem soll OCT und PIRL verbinden, um eine hohe Positionierungsgenauigkeit sicherzustellen. Schließlich werden auch Werkzeuge zur Prüfung und Bewertung benötigt, um Ergebnisse und grundlegende Tests der Architektur zu veranschaulichen.

Die Kernidee besteht darin, in einer Software das reale System abzubilden, so dass sein Verhalten analysiert und simuliert werden kann. Das Softwaremodell besteht aus vier Kernkomponenten:

1. Es beginnt mit der OCT, da sie die Scans an den Controller sendet. Das Senden und Empfangen von Nachrichten zwischen OCT und ROS wurde anhand der zeitlich präzise ablaufenden Warteschlangen der Publisher und Subscriber nachgebildet.
2. Der Controller erhält die Daten von der OCT und wertet sie aus, um die richtige Aktion zu veranlassen.
3. Der Roboter ist ein Hexapoden-Roboter, der die Position des PIRL steuert. Abhängig von der erhaltenen Nachricht deckt unser Modell alle möglichen Reaktionen des Hexapoden ab. So ermittelt einer der fünf Automaten, die den Roboter darstellen, die korrekte Positionierung des Zielpunkts innerhalb des erreichbaren Bereichs sowie das zu erwartende Verhalten im Falle eines nicht umsetzbaren Zielbefehls.
4. Zeitgesteuerte Automaten: Da das System zeitabhängig ist und schon auf kleine Zeitänderungen reagiert, wurden spezialisierte Automaten entwickelt, um mögliche Verzögerungen in jedem Stadium des Informationsflusses darzustellen. Diese Automaten wurden verwendet, um den Übergang zwischen zwei Zuständen in anderen Automaten zu kontrollieren.

Um das Ziel des Projekts zu demonstrieren, wurden Tests sowohl mit dem Roboter als auch mit dem OCT durchgeführt. Die folgende Abbildung zeigt, dass die robotergeführte Ablation tatsächlich funktioniert. Beachtenswert ist außerdem, dass die Abtragungszone anhand der OCT Daten bestimmt werden kann.

Trotz aller Fortschritte in der Behandlung des akuten Schlaganfalls durch Thrombolyse und mechanische Thrombektomien ist Zeit der wichtigste Faktor für eine erfolgreiche Behandlung von Schlaganfallpatienten, da in jeder Minute, in der keine Behandlung erfolgt, zwei Millionen Nervenzellen zugrunde gehen. So spielt neben der raschen klinischen Einordnung insbesondere die zügige Bildgebung eine entscheidende Rolle in der schnellen und akkuraten Diagnosestellung. Neben der Differenzierung zwischen ischämischem Schlaganfall und Blutung, sollte die Schlaganfallbildgebung innerhalb kürzester Zeit idealerweise auch Informationen über das Alter des Schlaganfalls, Penumbra (noch vitales, aber gefährdetes Hirngewebe), Gefäßanatomie (Stenosen, Gefäßverschlüsse) und Bluthirnschranke liefern. Jede Verzögerung um 15 Minuten führt dazu, dass mehr Patienten an den Folgen eines Schlaganfalles versterben.

MPI ist eine neue Bildgebungsmodalität, mit der die räumliche Verteilung superparamagnetischer Eisenoxidpartikel (SPIO) bestimmt werden kann. Dafür wird keine ionisierende Strahlung benötigt, sondern eine Kombination von räumlich und zeitlich konstanter und variierender Magnetfelder genutzt.

Nach intravasaler Applikation eines Kontrastmittels kann MPI, aufgrund einer hohen zeitliche Auflösung von 21,5 Millisekunden, sowohl das Gefäßsystem dreidimensional darstellen, als auch zusätzliche Informationen über Perfusion, Blutvolumen und andere Parameter liefern. Die Datenakquise erfolgt dabei in Echtzeit und damit so schnell, dass MPI allen anderen Bildgebungsverfahren in diesem Bereich überlegen ist, ohne die Nebenwirkungen durch Strahlenbelastung oder Kontrastmittel, die entweder nephrotoxisch sind oder sich im Kleinhirn ablagern können. Innerhalb weniger Sekunden werden so Informationen über Schlaganfallgröße und vorgeschaltete Stenosen erhoben, für die die MRT mehrere Minuten ermöglicht.

Zusätzlich können MPI-Scanner so kompakt gebaut werden, dass ein Einsatz direkt am Patientenbett möglich ist.

Zum ersten Mal konnten wir mit unseren Arbeiten zeigen, dass MPI eine vielversprechende Bildgebungsmethode zur Beurteilung der zerebralen Perfusion und von Schlaganfällen ist. Zurzeit gibt es keine Technik zur kontinuierlichen Überwachung der zerebralen Perfusion. MPI-Scanner können so kompakt gebaut werden, dass sie für die kontinuierlichen Überwachung der zerebralen Perfusion bei Patienten mit Schlaganfall, Blutungen und Subarachnoidalblutungen am Patientenbett geeignet sind. MPI könnte so die Versorgung von Schlaganfallpatienten deutlich verbessern.

Zum ersten Mal konnten wir mit unseren Arbeiten zeigen, dass MPI eine vielversprechende Bildgebungsmethode zur Beurteilung der zerebralen Perfusion und von Schlaganfällen ist. Zurzeit gibt es keine Technik zur kontinuierlichen Überwachung der zerebralen Perfusion. MPI-Scanner können so kompakt gebaut werden, dass sie für die kontinuierlichen Überwachung der zerebralen Perfusion bei Patienten mit Schlaganfall, Blutungen und Subarachnoidalblutungen am Patientenbett geeignet sind. MPI könnte so die Versorgung von Schlaganfallpatienten deutlich verbessern.

Die Leberzirrhose, als Endstadium aller chronischen Lebererkrankungen, geht mit einer hohen Morbidität und Mortalität einher. Schätzungsweise sind in Deutschland etwa 1 Millionen Menschen von einer Leberzirrhose betroffen.

Die Grundlage einer Leberzirrhose ist der Untergang des normalen Lebergewebes und dessen Ersetzung durch Narbengewebe. Die Folge des narbigen Umbaus ist eine gestörte Durchblutung der Leber mit Steigerung der Blutdruckdifferenz zwischen Pfortader und der unteren Hohlvene. Die Erhöhung dieses sogenannten portosystemischen Druckgradienten (portaler Hypertonus) ist die Ursache der meisten Komplikationen der Leberzirrhose wie Blutungen aus Krampfadern der Speiseröhre (Ösophagusvarizen) und der Entstehung von Bauchwasser (Aszites). In diesem Fall ist die Anlage eines transjugulären intrahepatischen portosystemischen Shunts (TIPS) inzwischen Therapie der ersten Wahl. Es erfolgt die minimal-invasive Implantation eines beschichteten Stents von einer Lebervene ausgehend in die Pfortader, wodurch das gestaute Pfortaderblut direkt in den systemischen Blutkreislauf zurückgeführt und dadurch der portale Hypertonus gesenkt wird. Die TIPS-Anlage führt in vielen Fällen zu einer erfolgreichen Kontrolle des Aszites und erhöht die Überlebenswahrscheinlichkeit der Patienten. Dennoch kommt es bei einem Teil der Patienten zu einem komplikativen Verlauf nach TIPS-Anlage mit dem Wiederauftreten des Aszites aufgrund einer unzureichenden Senkung des portalen Hypertonus. In diesem Fall stellt eine invasive Blutdruckmessung momentan die einzige valide Möglichkeit zur diagnostischen Sicherung eines weiterhin erhöhten Blutdrucks in der Pfortader dar. Hierzu wird im Rahmen eines angiographischen Eingriffs ein Katheter über eine Halsvene eingebracht und über die untere Hohlvene in den Lebergefäßen zur Druckmessung platziert. Die Risiken eines solchen invasiven Eingriffs umfassen unter anderem schwere Komplikationen wie Infektionen, eine allergische Reaktion auf das notwendige Kontrastmittel sowie Verletzungen von Herz, Leber, Gallenwegen und Blutgefäßen.

Die vierdimensionale Fluss Magnetresonanztomographie (4D Fluss MRT) stellt eine neue MRT-Technik zur detaillierten Analyse von Blutflussprofilen im menschlichen Körper dar. Diese Technik ermöglicht die zeitlich aufgelöste Strömungsdarstellung in einem dreidimensionalen Volumen, sodass Flussgeschwindigkeiten sowie Volumenströme der erfassten Blutgefäße in jeder beliebigen Ebene quantifiziert werden können (Abbildung 1).

Numerische Strömungssimulationen dienen der approximativen Lösung strömungsmechanischer Probleme. Mithilfe solcher Simulationen lassen sich neben den Strömungsgeschwindigkeiten auch die Druckverhältnisse in beliebigen Geometrien, z.B. Blutgefäßen, bestimmen.

Ziel dieser interdisziplinären Studie ist die Entwicklung einer nicht-invasiven Methode zur Bestimmung des portosystemischen Druckgradienten in Patienten mit Leberzirrhose nach TIPS-Implantation mithilfe einer Kombination aus 4D Fluss MRT und numerischer Strömungssimulation als Alternative zur risikobehafteten invasiven Blutdruckmessung.

Bei Patienten mit TIPS wird eine 4D Fluss MRT durchgeführt und der Blutfluss im TIPS sowie in der unteren Hohlvene quantifiziert. Aus Schnittbildern der MRT-Untersuchung erfolgt die Segmentierung der dreidimensionalen Blutgefäßstrukturen. Mithilfe dieses 3D-Modells wird ein Rechengitter für die Strömungssimulationen erzeugt. Nach dieser Vernetzung und der Festlegung von Randbedingungen erfolgt die numerische Strömungssimulation. Hiermit lässt sich der portosystemische Druckgradient zur nicht-invasiven Beurteilung eines eventuell persistierenden portalen Hypertonus berechnen. Es werden Patienten einbezogen, welche aus klinischer Indikation ebenfalls eine invasive Messung des portosystemischen Blutdrucks erhalten. Die Beurteilung der entwickelten Methodik erfolgt durch Korrelation des mittels 4D Fluss MRT und Strömungssimulation bestimmten portosystemischen Druckgradienten mit dem Ergebnis der invasiven Blutdruckmessung als Referenzstandard.