Universitäts-Herzzentrum Freiburg • Bad Krozingen

Die Sektion Bioinstrumentierung / experimentelle Bildgebung entwickelt und implementiert spezialisierte Apparaturen für die kardiovaskuläre Forschung, welche benötigt werden, da innovative Forschungsfragen oft nicht mit kommerziell erhältlichen Gerätschaften beantwortet werden können. Zu diesem Zweck betreiben wir Prototypenentwicklung von mechanischen und elektrischen Komponenten, basierend auf Expertise in Sensorik, Imaging-Techniken, Signalprozessierung, Kontrollsystemen und Benutzeroberflächen.

Die daraus resultierenden Systeme werden eingesetzt, um die kardiale Physiologie zu untersuchen, mit besonderem Fokus auf die Elektrophysiologie sowie die Mechanismen ventrikulärer Arrhythmien. Durch das Verständnis der Arrhythmie-Mechanismen können anschließend mögliche Ansätze zur Prävention und Therapie erforscht werden, einschließlich des Einsatzes pharmakologischer Substanzen, gezielter genetischer Modifikationen sowie der Entwicklung medizinischer Geräte.

Optoakustische Bildgebung

Derzeit gibt es keine Möglichkeit, die elektrische Aktivität im Herzen in 3D abzubilden, ohne dabei das Gewebe zu schädigen. Die optoakustische Bildgebung ist ein Verfahren, bei dem Laserpulse zur Anregung von bestimmten Molekülen verwendet werden. Dabei wird die Laserenergie von den Molekülen absorbiert, was zu einer thermoelastischen Ausdehnung von Chromophoren mit dem Gewebe und anschließend zur Erzeugung einer Druckwelle führt, die mit Ultraschall aufgezeichnet werden kann. Mittels Tomographie können die genauen Positionen der Chromophore im Gewebe ermittelt werden. Das optoakustische Bildgebungsverfahren vereint die Vorteile der Fluoreszensbildgebung mit der Eindringtiefe des Ultraschalls, und ermöglicht somit eine 3D-Messung der kardialen Elektrophysiologie. 

Optical Mapping

Im Gegensatz zur vielversprechenden optoakustischen Bildgebung, ist das Optical Mapping eine etablierte Methode, die es ermöglicht, Veränderungen der Zelleigenschaften (wie Membranspannung und Ionenkonzentration) mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erfassen, allerdings mit der Einschränkung, diese nur nahe der Oberfläche des Gewebes detektieren zu können. Wir haben ein Panoramabildgebungssystem entwickelt, mit dem wir mithilfe von Spiegeln die Oberfläche ganzer Herzen mit einer einzigen Kamera abbilden können. Dieses System wird derzeit weiterentwickelt, um die Korrelation der elektrischen Erregungsleitung über das Epikard mit der zugrunde liegenden Gewebestruktur mithilfe von Lichtblatt-Mikroskopie zu ermöglichen. Das Optical Mapping kommt in einer Reihe von Projekten zum Einsatz, unter anderem zur Untersuchung der Mechanismen der Arrhythmogenese bei Ischämie/Reperfusionsschädigung, sowie bei Bluthochdruck-induziertem kardialen Gewebeumbau.

Kardiale Stimulation

Wir können das Optical Mapping auch mit Werkzeugen zur optischen Kontrolle von Zellfunktionen kombinieren, z.B. via Licht-aktivierten Ionenpumpen und Kanälen. Solch ein kombinierter Aufbau ermöglicht somit vollkommen Licht-kontrollierte Untersuchungen kardiovaskulärer Funktionen von gesunden und krankheitsbedingt veränderten Proben. Ein Beispiel für solch eine Verwendung ist die optische Stimulation, bei der ein Herzschlag durch Bestrahlung mit Licht angeregt wird, anstatt durch einen elektrischen Strom (wie bei heutigen Herzschrittmachern üblich). Prinzipiell ist jedes Verfahren, das zu einem ausreichend großen Stromfluss in eine bestimmte Anzahl von Herzzellen führt, ausreichend, um einen Herzschlag zu beschleunigen. Interessanterweise können über dehnungs- aktivierte Kanäle im Herzen ähnliche Ströme hervorgerufen werden, d.h. ein Herzschlag kann durch bloßes Antippen beschleunigt werden. Dies ist besonders interessant für Notfallsituationen einer primären Asystole, wenn das Herz also nicht mehr schlägt und eine Herzmassage die beste verfügbare Option ist. Das erzeugbare Herzschlagvolumen ist jedoch relativ gering, so dass die Fähigkeit, das Herz durch einfaches Klopfen auf die Brust wieder zu beschleunigen, äußerst attraktiv erscheint. In ersten Experimenten konnte jedoch gezeigt werden, dass nach 50-100 Schlägen die mechanische Stimulierbarkeit abnimmt (Quinn et al., 2016). Um zu untersuchen, wie und warum dies geschieht, haben wir in Zusammenarbeit mit der Technischen Fakultät (IMTEK) ein System entwickelt, bei dem wir elektrische, mechanische und optische Stimulation an der exakt gleichen Stelle des Herzens anwenden und schnell zwischen den einzelnen Stimuli wechseln können.

Team