Innovative Bildgebung erfasst Auswirkungen von Alter und Krankheit auf Knochen
Osteoporose(öffnet in neuem Fenster) ist eine Erkrankung, bei der die Knochen schwächer und brüchiger werden, da sich ihre innere Struktur verschlechtert, was das Risiko von Knochenbrüchen bereits bei kleineren Stürzen oder Routinebewegungen erhöht. „Osteoporose wird zwar häufig mit dem Alter und hormonellen Veränderungen in Verbindung gebracht, kann aber auch durch chronische Entzündungen verursacht werden, die das Gleichgewicht zwischen Knochenbildung und -resorption stören und den Knochenverlust beschleunigen“, erläutert Georg Schett, Koordinator des Projekts 4-D nanoSCOPE(öffnet in neuem Fenster), das vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanziert wurde. Diese entzündungsbedingte Form der Osteoporose ist vor allem für Patientinnen und Patienten mit chronischen Entzündungen oder Autoimmunerkrankungen(öffnet in neuem Fenster) von Bedeutung, wird jedoch häufig nicht ausreichend erkannt. Das Team von 4-D nanoSCOPE hat sich zum Ziel gesetzt, diese Situation zu verbessern. Das Ziel des Projekts lautete, die Wissensbasis darüber zu erweitern, wie Entzündungen die Knochenstruktur auf verschiedenen räumlichen Ebenen und im Zeitverlauf beeinflussen, und wie sich diese strukturellen Veränderungen in einer verminderten Knochenfestigkeit niederschlagen. Das Projektteam erreichte diese Vorgaben dank der Entwicklung einer neuen Generation von Bildgebungs- und Analyseinstrumenten. „Neben der Charakterisierung und Analyse der Knochenstruktur über verschiedene Maßstäbe hinweg kann unser Ansatz strukturelle Merkmale mit biologischen Prozessen und mechanischen Eigenschaften korrelieren und somit Einblicke in die Knochenfestigkeit sowie den Einfluss von Krankheiten und Behandlungen geben“, erklärt Schett vom Uniklinikum Erlangen(öffnet in neuem Fenster), an dem das Projekt angesiedelt war.
Entwicklung des integrierten Bildgebungsworkshops
Vor den Aktivitäten von 4-D nanoSCOPE waren die vorhandenen Knochenbildgebungsmethoden entweder in ihrer Auflösung zu begrenzt, auf bestimmte Maßstäbe beschränkt oder konnten keine dynamischen Veränderungen im Verlauf der Zeit erfassen. Folglich war es nicht möglich, die Knochenmodellierung in einer echten 4D-Auslegung, drei räumliche Dimensionen plus Zeit, insbesondere unter realistischen biologischen Bedingungen, zu beobachten. Das Team von 4-D nanoSCOPE hat eine Lösung entwickelt, die fortgeschrittene Röntgennanoskopie(öffnet in neuem Fenster), komplementäre Bildgebungsverfahren und KI-basierte Datenanalyse in einem integrierten Arbeitsablauf vereint. Sobald die Knochenproben erstellt sind, werden sie mithilfe der Röntgenmikroskopie dreidimensional abgebildet und anschließend mithilfe von KI-Instrumenten quantitativ analysiert. Damit werden Mikrostrukturen identifiziert und deren Eigenschaften quantifiziert, um Veränderungen über die Zeit nachzuverfolgen. Im Gegensatz zu konventionellen Ansätzen, die auf Großanlagen angewiesen sind, kann dieses System in standardgemäßen Laborumgebungen zum Einsatz kommen, womit der Zugang zu hochauflösender Bildgebung eröffnet wird. Zu den weiteren technischen Innovationen zählen: ein hochempfindlicher Hochgeschwindigkeitsdetektor, der eine schnelle Bilderfassung bei geringerer Strahlenbelastung ermöglicht, sowie Probenhalter- und Bildgebungsprotokolle, die gewährleisten, dass die Proben einheitlich positioniert und abgebildet werden können.
EU-Prioritäten für Gesundheit und digitale Innovation unterstützen
Im Rahmen des Projekts wurden eine Reihe von experimentellen Untersuchungen und rechnerischen Analysen durchgeführt. „Unsere Ergebnisse demonstrieren, dass Knochen jetzt auf eine besser integrierte, quantitativ hochwertigere und stärker zeitaufgelöste Weise als bisher untersucht werden können. Und vor allem konnten wir verschiedene Ursachen für den Knochenschwund, darunter Entzündungen, Alterung und hormonelle Veränderungen, miteinander vergleichen“, erklärt Schett. Durch verbesserte Diagnostik weisen die Bemühungen um Rahmen von 4-D nanoSCOPE auf in eine Zukunft mit gezielteren Präventionsstrategien und Behandlungen, womit die Lebensqualität der Betroffenen verbessert wird und nachhaltigere Gesundheitssysteme unterstützt werden. Die nächsten Schritte des Teams konzentrieren sich auf die weitere Entwicklung und Anwendung der projekteigenen Technologien und Verfahren. „Unser Ziel ist, sich der klinischen Anwendung anzunähern, zum Beispiel durch Integration unserer Ansätze in die Forschung, die Diagnose, Behandlungsüberwachung und Therapieentwicklung unterstützt“, fügt Schett hinzu. Parallel dazu werden die projekteigenen Arbeitsabläufe und Datensätze innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft ausgetauscht, damit Folgestudien und eine breiter aufgestellte Anwendung möglich werden, was neue Gelegenheiten der interdisziplinären Zusammenarbeit auf Gebieten wie der Muskel-Skelett-Forschung, Materialwissenschaft und Biomedizintechnik eröffnet.
