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Zerstörungsfreie 3D-Bildgebung zur Behandlung von Herzkrankheiten

Herz-Kreislauf-Erkrankungen schlagen allein in Europa jährlich mit mehr als 4 Mio. Todesfällen zu Buche. Fast 80 % dieser Erkrankungen wären vermeidbar. Voraussetzung hierfür sind jedoch innovative Technologien zur Frühdiagnose und gezielte Intervention.

Gesundheit

Diagnostische Grundlage bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind bislang die Makroanatomie des Herzens, die Herzfunktion insgesamt und Stoffwechselmarker des gesamten Körpers. Allerdings führt dies bei 20 % aller Fälle zu Falschdiagnosen, und bei älteren Patienten werden bis zu 60 % aller HKE nicht diagnostiziert.

Analysen von Mikroanatomie und Stoffwechsel des Herzens

Unterstützt im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen untersuchte das Projekt ANATOMY-FOUND die ursächlichen Ereignisse für HKE, die auftreten, bevor Makropathologien routinemäßig diagnostiziert werden können. Mediziner benötigen für die Analyse von Mikroanatomie und Stoffwechsel des Herzens organspezifische nichtinvasive Bildgebungstechniken, die dann mit der Herzfunktion korreliert werden. „HKE-Prozesse im Frühstadium beginnen oft in den Herzzellen und entwickeln sich dann zu einer organweiten Erkrankung. Daher sind neue Technologien für hochauflösende 3D-Mikroanatomie und Analysen des organspezifischen regionalen Stoffwechsels gefragt“, erklärt Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiat Robert Stanley Stephenson. Mittels kontrastmittelverstärkter Mikrocomputertomographie (Micro-CT) führte die Forschergruppe mikroanatomische Untersuchungen am Herzen durch. Bei dieser Ex-vivo-Röntgenmethode dient Jod als Kontrastmittel. Auf diese Weise kann zwischen Fett, Muskeln, Reizleitungssystem und Bindegewebe in einer räumlichen Auflösung unterschieden werden, die sich fast der Einzelzellebene annähert. Mit dieser Methode erzeugten das Forscherteam erstmals ein 3D-Abbild des Herzleitungssystems im gesunden Herzen und bei angeborenen Herzfehlern. Zudem wurde mittels Mikro-CT und DT-MRT (Diffusionstensor-Magnetresonanztomographie) die Anordnung der Myozytenketten untersucht und eine veränderte Ausrichtung der Myozyten im kranken Herzen belegt. Aus den Scan-Daten geht hervor, dass die Deformation des Myokards und damit gestörte Pumpfunktion nicht auf eine veränderte Ausrichtung der Myozytenketten, sondern auf die Umlagerung von Myozytenaggregaten zurückgeht. Eine neue In-vivo-Bildgebungstechnik des Stoffwechsels mit radioaktiv markiertem Pyruvat als bildgebender Sonde ergab, dass ein verminderter aerober Stoffwechsel nach und nach in den unerwünschten anaeroben Stoffwechsel übergehen kann und damit zu Herzversagen führt. Interessanterweise korrelierte diese Veränderung mit größeren morphologischen Umbauprozessen.

Ergebnisse von ANATOMY-FOUND

Mit neuen Techniken der zerstörungsfreien 3D- und 4D-Bildgebung enthüllte ANATOMY-FOUND die Mikrostruktur und Funktion des gesunden und kranken Herzens, was neue Erkenntnisse zum Reizleitungssystem und dessen Umbildung bei angeborenen Herzfehlern lieferte. Da die Reizleitung als biologischer Schrittmacher des Herzens fungiert, dürfen diese Zellen bei operativen Eingriffen oder anderen Interventionen nicht beschädigt werden. Mit der Entwicklung eines präzisen 3D-Modells der Reizleitung soll ANATOMY-FOUND chirurgische Abläufe sicherer machen. Hierfür erzeugten die Projektpartner aus transparentem, flexiblem Myokard den ersten 3D-Druck des Herzens mit farbig dargestelltem Reizleitungssystem. Dieser Ansatz könnte künftig die Operationsplanung verbessern, letztendlich mit dem Ziel, die Mortalität und Morbidität bei angeborenem Herzfehler zu verringern. Den Projektergebnissen zufolge sind Stoffwechselstörungen ursächlich für Umbauprozesse im Herzen, was zu gestörter Pumpfunktion und Herzinsuffizienz führen kann. Die in ANATOMY-FOUND verwendete In-vivo-Bildgebungstechnik des Stoffwechsels wird künftig ein hervorragendes Werkzeug zur Frühdiagnose von HKE sein und sich in Kliniken als gängige Screening-Technik etablieren. Wie Forscher Michael Pedersen betont, „könnte der neue Ansatz, den ANATOMY-FOUND zur Diagnose von Herzerkrankungen entwickelt hat, bisherigen morphologischen Untersuchungen überlegen sein.“ Die schnellere Erkennung lokaler Veränderungen im Herzen könnte zudem patientenspezifische Therapien befördern.

Schlüsselbegriffe

ANATOMY-FOUND, kardiovaskuläre Erkrankungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, HKL-Erkrankung, (HKE), Reizleitung, Mikroanatomie, Myozyten, Umbau, Diffusionstensor-Magnetresonanztomographie (DT-MRT), kontrastmittelverstärkte Mikrocomputertomographie, (Mikro-CT)

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