In-vivo- Kleintier Computer-Tomograph
Final Report Abstract
Das QuantumFX Kleintier-CT wurde sowohl für in vivo als auch für ex-vivo Bildgebung genutzt. In vivo Bildgebung: Tumorbildgebung: Durch die schnelle Bildgebung eignet sich das QuantumFX besonders für die longitudinale Bildgebung in Tumorentwicklungs- bzw. Tumortherapiestudien und hilft dadurch massiv Versuchstiere zu sparen, weil sich die Entwicklung im gleichen Tier verfolgen lässt, was die Variabilität der Ergebnisse reduziert und somit noch zusätzlich die nötige Gruppegröße minimiert. Der Einsatz von klinischen Kontrastmitteln hat uns zusätzlich erlaubt durch deren schnelle Extravasierung eine Volumetrie des Tumors vorzunehmen, während mittels dezidierter Kontrastmittel für Kleintier-CT die Vaskularisierung dargestellt werden konnte. Herzbildgebung: Eine weitere herausragende Eigenschaft des QuantumFX ist die Möglichkeit Bewegungen von Herz und Lunge herauszurechnen (retrospective gating). Dies erlaubt nicht nur eine „verwacklungsfreie“ Darstellung des Herzens, sondern auch eine Darstellung des Herzen in Systole und Diastole. In Kombination mit einem in-vivo Kontrastmittel haben wir erste Versuche zur Darstellung von Herzerkrankungen in Mäusemodellen unternommen. Lungenbildgebung: Das „retrospective gating“ erlaubt auch eine niedrig-Dosis Darstellung der Mauslunge. Neben der Studie von Lungenerkrankungen wie Asthma und Emphysem in Mausmodellen konnten wir auch die Darstellung von Lungenmetastasen zeigen. Die relativ große Gantry des QuantumFX ermöglichte im Weiteren die Analyse von Kaninchenlungen in-vivo in einer Studie um den Zusammenhang zwischen dem Grad einer durch Gabe von z.B. E.coli Bakterien erzeugten Pneumonie und dem Nachweis von metabolischen Abbauprodukten dieser Bakterien in der Ausatemluft nachzuweisen - eine Studie die 2016 den Preis der Deutschen Interdisziplinären Vereinigung für Intensiv und Notfallmedizin gewonnen hat. Lungenfunktionsmessung: Eine weitere Eigenschaft des Systems ist die Möglichkeit das „live“-2D Bild, das eigentlich zur Positionierung der Maus / des Objekts vor dem Scan gedacht ist, als Video abzuspeichern. Basierend darauf haben wir eine Methode entwickelt, die basierend auf der Analyse dieser Videos eine Quantifizierung der Lungenfunktion zulässt. Wir konnten zeigen, dass diese neue Methode hoch sensitiv Mäuse eines Asthmamodells von Glukokortikosteroid behandelten und gesunden Mäusen unterscheiden kann und damit eine funktionale Bewertung von neuen Asthmatherapien ermöglicht. Wir haben diese Methode mittlerweile soweit weiter entwickelt, dass sich sogar Elastizitätsunterschiede in der Lunge von Mäusen mehr als 3 Monate nach deren letzten Asthmaattacke nachweisen lies. Dies ist ein Effekt, der in Menschen bekannt ist und sich bis dato nicht in Mausmodellen reproduzieren und nachweisen lies. Knochendarstellung: Wir konnten das QuantumFX benutzen, um in-vivo im Verlauf den Effekt von neu entwickelten „scaffolds“ in einem Maus-Knochendefekt-Modell zu bewerten. Scaffolds sind poröse Strukturen die als Substrat für Knochenzellen dienen und in Knochendefekte eingebracht werden um die Heilung zu beschleunigen. Sie sollen vom Körper abgebaut werden und unterscheiden sich somit grundsätzlich von Implantaten. Problematisch bei diesem Konzept ist es, die Bilanz zwischen Knochenaufbau und Abbau des Scaffolds zu finden. Das QuantumFX war integraler Bestandteil des EU geförderten Projekts „Innovabone“ mit dem Ziel neue Scaffolds zu entwickeln. Ex vivo Bildgebung: Dehnel Effekt: Beim Dehnel Effekt handelt es sich um einen Knochenumbauprozess, der zuerst in Spitzmäusen und kürzlich unter Beteiligung der UMG in Mauswiesel nachgewiesen wurde. Das QuantumFX wurde dabei eingesetzt, um einmal die Demineralisierung in kompletten Spitzmausskeletten zu dokumentieren und um die Veränderungen im Mauswieselschädel lokalisieren zu können, indem Tiere von verschiedenen Jahreszeiten gegeneinander verglichen wurden. Virtuelle Histologie: Da der Kontrast im CT von der relativen Elektronendichte einer Struktur und damit von Element und Dichte eines Objektes abhängt, sind die Anwendungen für Weichgewebe limitiert. Wir konnten Färbeprotokolle etablieren, die basierend auf Schwerionen wie Wolfram, die Röntgenabsorption von Weichgewebe derart erhöhen, dass detaillierte 3D Darstellung von Weichgewebsstrukturen ermöglicht wird. Diese sogenannte „virtuelle Histologie“ erlaubt damit im Gegensatz zur klassischen Histologie eine räumliche Analyse von Strukturen. In Kombination mit dem QuantumFX liessen sich so ganze Volumina in quasi-mikroskopischer Auflösung und unter Beibehaltung der nativen Morphologie beurteilen und analysieren. Neben der reinen Deskription eignen sich die CT-Datensätze auch für die quantitative Auswertung der Röntgendichte und lassen so Rückschlüsse auf mögliche pathologische Veränderungen zu. Historische Knochenfunde: Die anthropologisch-paläopathologische Analyse von historischem Knochenmaterial muss aufgrund der Seltenheit und der damit verbundenen Einzigartigkeit und typischen Fragilität des Untersuchungsgutes mit besonderer Sorgfalt und so schonend wie möglich durchgeführt werden. Das hochauflösende QuantumFX bietet eine zerstörungsfreie Untersuchung kleinerer Skeletelemente in Minuten bei einer isotropen Auflösung von ca. 90 µm. Die so generierten Datensätze konnten mit Hilfe verschiedenster Darstellungsprotokolle in allen denkbaren Winkeln, in verschiedenen Schnittebenen zwei- und drei-dimensional evaluiert werden. CT Untersuchungen zur Beantwortung anthropologischer Fragestellungen an Moorleichenfunden wie dem „Mann von Bernuthsfeld“ haben sich besonders an Skelettelementen bewährt, die aufgrund anatomischer Besonderheiten im komplexen Verband verbleiben müssen und tomographisch exakter zu beurteilen sind als konventionelle 2D Aufnahmen.
Publications
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(2017) Profound seasonal shrinking and regrowth of the ossified braincase in phylogenetically distant mammals with similar life histories. Scientific reports 7 42443
Dechmann, Dina K. N.; LaPoint, Scott; Dullin, Christian; Hertel, Moritz; Taylor, Jan R. E.; Zub, Karol; Wikelski, Martin
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In vivo detection of small tumour lesions by multi-pinhole SPECT applying a 99mTc-labelled nanobody targeting the Epidermal Growth Factor Receptor. Sci Rep. 2016;6: 21834
Krüwel T, Nevoltris D, Bode J, Dullin C, Baty D, Chames P, et al.
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X-Ray based Lung Function measurement–a sensitive technique to quantify lung function in allergic airway inflammation mouse models. Sci Rep. 2016;6
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µCT of exvivo stained mouse hearts and embryos enables a precise match between 3D virtual histology, classical histology and immunochemistry. PLoS One. 2017
Dullin C, Ufartes R, Larsson E, Martin S, Lazzarini M, Tromba G, et al.
