Machine learning Techniken für die Routineanwendung von genetisch kodierten photo-modulierbaren Reportern für die in vivo Optoakustik.
Bioinformatik und Theoretische Biologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die bio(medizinische) Bildgebung intakter undurchsichtiger Organismen in vivo ermöglicht einzigartige Einblicke in die Anatomie, Physiologie sowie die Ursache und Behandlung von Krankheiten. Häufig sind solche Bildgebungstechnologien eng mit ihren Pendants in der diagnostischen medizinischen Bildgebung verwandt, und die Erkenntnisse aus der Forschung an Modellorganismen und zunehmend auch an Organoiden sind ein erster Schritt hin zu einer Übertragung auf medizinische Anwendungen mit gesellschaftlichem Nutzen. Die so genannte photo- oder optoakustische Bildgebung ist eine einzigartige Bildgebungsmethode, die eine hohe Auflösung mit einer Bildgebung auch aus tieferen Gewebeschichten kombiniert. Ihre Grenzen in Bezug auf einen zielgerichteten Kontrast (z.B. genetisch kodiert in spezifischen Zelltypen) wurden vor kurzem von uns und anderen mit der Einführung der optoakustischen Bildgebung mit Photoschalten in Frage gestellt. Die Methode der Photoschalt-Optoakustik beruht auf Kontrastmitteln, die eine lichtgesteuerte Modulation erlauben, die es ermöglicht, den starken Hintergrund zu unterdrücken, der für die optoakustische Bildgebung typisch ist, und auch eine geringere Anzahl markierter Zellen tief im Gewebe sichtbar zu machen. Die geförderte Forschung zielt darauf ab, das ursprüngliche Datenanalysekonzept, das die Modulation aus den Daten extrahiert, weiterzuentwickeln und eine Reihe von Artefakten besser zu verstehen, die bei ersten Implementierungen auftraten. Mit der geförderten Arbeit wurde der Grundstein für eine standardisierte Datenerfassung gelegt, die es ermöglicht, hochkorrelierte Ground-Truth-Daten zu gewinnen. Diese Ground-Truth-Daten werden orthogonal zur optoakustischen In-vivo-Bildgebung mittels Fluoreszenzbildgebung an der Kryosektion des getöteten Tieres gewonnen. Solche Daten sind wichtig, um eine Bildgebungsmethode zu vergleichen und zu verstehen, was man sehen kann und was nicht, um Artefakte besser zu verstehen und als Trainingsdaten für erweiterte KI-gesteuerte Analysekonzepte. Darüber hinaus konnten wir durch die Verwendung so genannter gewebeähnlicher Phantome mit genau definierten Bedingungen eine Reihe von Störfaktoren wie die Auswirkungen von Signalen außerhalb des Fokus besser verstehen. Schließlich wurde eine schrittweise verbesserte Analyseversion etabliert und bei der Analyse von Daten eines zielgerichteten injizierbaren Wirkstoffs für die photoschaltende Optoakustik eingesetzt, was einen potenziellen ersten Schritt in Richtung der diagnostischen Nutzung des Photoschalt-Optoakustik Konzepts darstellt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die geförderte Forschungsarbeit die routinemäßige Anwendung der photoschaltendenden Optoakustik vorantreibt und die Grundlagen für eine echte Verbesserung der Analysemethoden legt, die darauf abzielt, auch kleine Zellzahlen (<100 Zellen) tief im Tier mit hoher Auflösung zu visualisieren, um so Live-Einblicke in den lebenden Organismus zu erhalten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A practical guide to photoswitching optoacoustics tomography. Methods in Enzymology, 365-383. Elsevier.
Stankevych M., Mishra K., Ntziachristos V. & Stiel A.C.
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Alginate beads as a highly versatile test-sample for optoacoustic imaging. Photoacoustics, 25, 100301.
Fuenzalida-Werner, Juan Pablo; Mishra, Kanuj; Stankevych, Mariia; Klemm, Uwe; Ntziachristos, Vasilis & Stiel, Andre C.
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Controlling the sound of light: photoswitching optoacoustic imaging. Nature Methods, 21(11), 1996-2007.
Stiel, Andre C. & Ntziachristos, Vasilis
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Photoswitching protein-XTEN fusions as injectable optoacoustic probes. Acta Biomaterialia, 195, 536-546.
Huang, Yishu; Stankevych, Mariia; Gujrati, Vipul; Klemm, Uwe; Mohammed, Azeem; Wiesner, David; Saccomano, Mara; Tost, Monica; Feuchtinger, Annette; Mishra, Kanuj; Bruns, Oliver; Geerlof, Arie; Ntziachristos, Vasilis & Stiel, Andre C.
