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AG Translational Modelling

Die Arbeitsgruppe Translational Modelling beschäftigt sich mit der Entwicklung von Methoden und Modellen zur Quantifizierung funktioneller und struktureller Veränderungen von Gefäßen und Nervengewebe und deren Extrapolation und Einbindung in die klinische Routine. Dabei werden neue MR-Techniken wie das Vessel Architectural Imaging, das Arterial Spin Labeling, Relaxometrie und Mapping-Techniken bei 3 Tesla, 7 Tesla und 9.4 Tesla, sowie in Kooperation mit dem Deutschen Krebsforschungszentrum hochaufgelöste Multiphotonen-Mikroskopie und Lichtscheibenfluoreszenzmikroskopie eingesetzt. Die daraus erfolgende quantitative Charakterisierung von Gefäßnetzwerken und Nervengewebe dient als Grundlage für die Entwicklung von funktionellen Simulationen, welche die Veränderungen des MR Signals unter wechselnden physiologischen Bedingungen untersuchen. Die Arbeitsgruppe verbindet damit translational MR-physikalische Grundlagen, statistische Bildverarbeitung, präklinische Krankheitsmodelle und klinische Anwendung.

Gefäßnetzwerk-Quantifizierung im Mausmodell. (a) Schematische Darstellung des experimentellen Verfahrens, einschließlich Injektion von Tumorzellen und fluoreszierenden Markern, Gehirnresektion und -reinigung mit Fotografien vor und nach „Clearing“ (Reinigung) des Hirngewebes mit cm-Skala. Das resultierende Hirn wird mit Selective Plane Illumination Microscropy (SPIM) untersucht. In der zweiten Zeile wird rechts ein Originalbild eines Stapels eines gesunden Mausgehirns dargestellt, links davon deren binäre Segmentierungsüberlagerung in Rot. Unterhalb des Gehirnsegmentierungsbildes ist eine durchschnittliche Intensitätsprojektion von einem 200 μm dicken Abschnitt eines segmentierten, rauschgefilterten Bildstapels eines U87-Glioblastoms gezeigt. Das rechte Bild zeigt das Skelett des nebenstehenden Gefäßbildes in Rot. Die vaskulären Netzwerkquantifizierungen dieser nachverarbeiteten Daten sind in der letzten Zeile dargestellt. Die Beurteilung der Gefäßmorphologie wird in einem Würfel mit einer Seitenlänge von 130 μm verdeutlicht, in dem ein Radiuswert r, eine Länge l und ein Endpunktabstand d sowie eine Segmentoberfläche A angegeben sind. Mit Hilfe des Gefäßskeletts wird die Netzwerktopologie untersucht, die durch ein Cluster-Diagramm veranschaulicht wird, das die räumliche Verteilung von Gefäßgemeinschaften in einem U87-Glioblastom darstellt. Aus den geometrischen Quantifizierungen werden relative Häufigkeitsverteilungen von fraktioniertem Gefäßvolumen, mikrovaskulärer Dichte und Verteilungen geometrischer Eigenschaften aller einzelnen Gefäßsegmente wie Gefäßradius, Segmentlänge, Gefäßoberfläche und Segment-Tortuosität extrahiert. Für weitere Details siehe Hahn A et al., Scientific Reports 2019.
Darstellung des tibialen und peronealen Anteils des N. Ischiadicus auf Höhe des Oberschenkels eines gesunden Probanden (a,b) und eines Patienten mit einer schweren diabetischen Polyneuropathie. In der T2-gewichteten Bildgebung des gesunden Probanden (a) sind die Nervenanteile hyperintens dargestellt, in der korrespondieren Karte der fraktionellen Anisotropie (FA; b) zeigen sich hohe FA-Werte. Der Patient mit schwerer Polyneuropathie hingegen zeigt einen Verlust an gesunden Nervenfasern mit hypointensen Anteilen in der T2-Wichtung (c) und niedrigen FA-Werten (d).
VAI-Parameter bei einem Patienten mit Glioblastoma multiforme. (a) Kontrastmittel-gestützte T1w-Bildgebung mit Kontrastmittel-aufnehmenden Tumoranteilen in der rechten Hirnhemisphäre. (b) FLAIR-Bildgebung desselben Tumors mit deutlich hyperintensen Veränderungen in und um das Tumorareal. (c) Karte des cerebralen Blutvolumens mit erhöhtem Blutvolumen im Kontrastmittel-affinen Tumorareal. Folgende VAI-Karten werden gezeigt: (d) Slope length, (e) Slope, (f) Short axis, (g) Distance map, (h) microvessel type indicator, (i) vascular-induced bolus peak-time shift, (j) Vessel size index, (k) Q als Maß der mikrovaskulären Dichte. Weitere Details siehe Zhang et al., Plos One 2019.
Nervenfasern eines Patienten mit schwerer diabetischer Polyneuropathie, gewonnen aus einer Diffusions-Tensor-Bildgebungs-Sequenz bei 3 Tesla (Siemens MAGNETOM Trio).

Forschungsschwerpunkte

  • Diffusions-Effekte in der MR-Bildgebung
  • Gefäßnetzwerk-Architektur und –Topologie
  • Mikrostruktur-Parameter
  • Quantitatives MR peripherer Nerven
  • Machine-Learning
  • Statistische Modellierung

Unser Team

Leitung

Prof. Dr. Martin Bendszus

Ärztlicher Direktor (Neuroradiologie)


Dr. med. Felix Kurz

Assistenzarzt (Neuroradiologie)


Team

Prof. Dr. rer. Nat. Dipl.-Phys. Sabine Heiland

Sektionsleiterin (Sektion Experimentelle Neuroradiologie)


Dr. med. Johann Jende

Assistenzarzt (Neuroradiologie)


Artur Hahn

Doktorand (Neuroradiologie)

MSc (Doktorand)


Yanis Seemann

Masterstudent (Neuroradiologie)

(Student – Master)


Myriam Keymling

Medizinstudentin (Neuroradiologie)

(cand. med.)


Volker Sturm

(PhD)


Externe Kooperationen

  • Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ), Heidelberg (AG Experimentelle Neuroonkologie, AG Functional Imaging, Pädiatrische Neuroonkologie, AG Präklinische Bildgebung )
  • Forschungszentrum Jülich (Institute of Neuroscience and Medicine)
  • Universitätsklinikum Würzburg (Institut für Neuroradiologie)
  • Inselspital Bern, Schweiz
  • Johns Hopkins Hospital, Baltimore, USA
  • National Institute on Ageing, National Institutes of Health, Bethesda, USA
  • MassGeneral Hospital / Harvard Medical School, Boston, USA

Interne Kooperationen

  • Abteilung für Radiologie, Universitätsklinikum Heidelberg
  • Abteilung für Endokrinologie, Universitätsklinikum Heidelberg
  • Abteilung für Paraplegiologie, Universitätsklinikum Heidelberg
  • Neurologie und Poliklinik, Universitätsklinikum Heidelberg

Förderungen und Auszeichnungen

  • International Foundation for Research in Paraplegia – Research Grant
  • DFG Grant KU 3555/1-1
  • SFB 1158 A03
  • 2018 Preis der Diffusion Study Group der International Society of Magnetic Resonance in Medicine
  • 2018 Posterpreis der Deutschen Schmerzgesellschaft
  • 2017 Best Selected Lecture in der Sektion “Neurodegeneration“ der Deutschen Gesellschaft für Neuroradiologie
  • 2014 Physician Scientist Fellowship der Medizinischen Fakultät Heidelberg
  • 2014 Hoffmann-Klose-Stiftung Forschungsförderung
  • 2014 Best Selected Lecture in der Sektion “Multimodal imaging concepts” der Deutschen Gesellschaft für Neuroradiologie

Publikationen