Neue Einsichten in Lungengewebe

COVID-19: Neue Bildgebung entwickelt

Röntgenphysikerinnen und -physiker der Universität Göttingen haben zusammen mit Pathologen und Lungenspezialisten der MHH ein neues Bildgebungsverfahren entwickelt, mit dem geschädigtes Lungengewebe nach Erkrankung an COVID-19 hochaufgelöst und dreidimensional dargestellt werden kann.

Schnitte durch das dreidimensionale Rekonstruktionsvolumen

Schnitte durch das dreidimensionale Rekonstruktionsvolumen (links oben, grau) um ein Lungenbläschen mit Hyalinmembran (links unten, gelb), rechts eine Überblendung. Im Zentrum befindet sich das Luftbläschen (Alveole). | Tim Salditt, Marina Eckermann

Bei schweren Krankheitsverläufen von COVID-19 beobachten die Forscher/-innen starke Veränderungen der Gefäßarchitektur, zahlreiche Entzündungen, Thromben und so genannte hyaline Membranen, die sich durch Ausscheidung von Protein- und Zellresten auf die Alveolarwände legen und den Gasaustausch erheblich erschweren. Mit dem neuen zerstörungsfreien Verfahren lassen sich diese Schäden erstmals großräumig und dreidimensional darstellen, ohne das Gewebe durch Schnitte und Färbung zu verändern. Das Verfahren eigne sich damit besonders zur Darstellung der Verästelung kleinster Gefäße, zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von Immunzellen im Gewebe und zur Messung der Trennschichten zwischen Blutzellen und den Luftbläschen, etwa für die Simulation des Gasaustausches, so die Wissenschaftler.

Virtuelle dreidimensionale Histologie

„Die in Wachs eingebetteten Lungengewebeproben konnten vor einer Detailuntersuchung auch großräumig durchstrahlt werden, um besonders interessante Bereiche um Entzündungen, Blutgefäße oder Bronchien herum zu lokalisieren“, sagt der leitende Autor Prof. Dr. Tim Salditt von Institut für Röntgenphysik der Universität Göttingen. Da die Röntgenstrahlung tief genug eindringe, könne die Brücke von der makroskopischen zur mikroskopischen Struktur geschlagen werden. Die räumliche Anordnung von Blutgefäßen bis hinunter zu den kleinsten Kapillaren könne damit für die Pathologen sichtbar gemacht werden.

SARS-CoV-2

Bei einer Pressekonferenz des Bundesverbandes Deutscher Pathologen, der Deutschen Gesellschaft für Pathologie sowie der Deutschen Gesellschaft für Neuropathologie und Neuroanatomie gingen die Vertreter auf die neuesten Erkenntnisse ein, die durch Autopsien in Deutschland gewonnen wurden.

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Die Autoren sprechen von einer virtuellen dreidimensionalen Histologie. Die Histologie als die Lehre des Aufbaus von Geweben und die Histopathologie als Lehre der krankheitsbedingten Veränderungen entstanden in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts, als die Mikroskopie rasante Fortschritte gemacht hatte. Noch heute nutzt man in der Pathologie die damals entwickelten Grundtechniken der Gewebefixierung, der Anfertigung von Dünnschnitt-Präparaten, die Anfärbungen und schließlich die Betrachtung im Mikroskop. Die klassische Technik sei aber nicht mehr ausreichend, wenn man vollständige dreidimensionale Darstellungen brauche, die man mit Computer-Programmen „durchforsten“ und analysieren will, betonen die Forscher/-innen.

Nutzung hochbrillanter Röntgenstrahlung

Dreidimensionale Bildgebung kennt man aus der herkömmlichen Computertomografie (CT). Bei der Phasenkontrast-Methode entsteht das Bild aber nicht wie bei der klassischen CT durch unterschiedliche Abschwächung der Röntgenstrahlung im Gewebe, sondern durch winzige Laufzeitunterschiede der Röntgenwelle und den daraus resultierenden Verschiebungen der Wellenfront. Durch Ausbreitung der Röntgenwelle zwischen Probe und Detektor entsteht ein wellenartiges Muster, aus dem dann allerdings erst noch ein scharfes Bild errechnet werden muss. Salditt und seine Arbeitsgruppe haben nun spezielle Algorithmen und Beleuchtungsoptiken entwickelt, mit denen sich die Gewebestruktur scharf und dreidimensional darstellen lässt. Dabei könne die Vergrößerung stufenlos eingestellt werden und auch Millimeter oder Zentimeter-große Gewebeproben können ohne Schnitte oder Anfärbung dargestellt werden. Je nach Einstellung, können damit auch Strukturen sichtbar gemacht werden, die mit herkömmlicher Lichtmikroskopie nicht mehr aufgelöst werden können. Um dies zu erreichen, nutzt das Göttinger Team hochbrillante Röntgenstrahlung, welche am Speicherring PETRAIII des Deutschen Elektronen-synchrotrons (DESY) in Hamburg erzeugt wird.

Wie schon von 150 Jahren nach Erfindung des modernen Mikroskops ergibt sich ein wesentlicher Fortschritt aus der Verbindung physikalischer und medizinischer Forschung. Das interdisziplinäre Forschungsteam hofft, dass mit der neuen Methode die Entwicklung von Behandlungsmethoden und Wirkstoffen unterstützt werden kann, um schwere Lungenschäden bei COVID-19 zu verhindern, zu lindern oder die Regeneration zu fördern. „Erst wenn man sieht, was passiert, kann man Mittel und Eingriff zielgerichtet entwickeln“, so Prof. Dr. Danny Jonigk von der Medizinischen Hochschule Hannover, der den medizinischen Teil der Studie geleitet hat.

 

Literatur:

M. Eckermann, J. Frohn, M. Reichardt, et al.: 3d Virtual Patho-Histology of Lung Tissue from Covid-19 Patients based on Phase Contrast X-ray Tomography. eLife (2020), DOI: doi.org/10.7554/eLife.60408.


Quelle: idw/Georg-August-Universität Göttingen