Form follows function- Sequentielle Analyse von Form und Funktion des schlagenden frühembryonalen Herzens unter natürlichen" experimentellen Bedingungen in einer neuartigen Klimakammer
Final Report Abstract
Das primäre Ziel des beantragten Forschungsvorhabens war die Klärung des Zusammenhangs zwischen frühen Funktionsstörungen und späteren Herzfehlern am Beispiel von Hühnerembryonen, dargestellt durch die aufgestellte Hypothese: „Primäre Funktionsstörungen des embryonalen Herzens führen zu Herzfehlern“. Der Beleg bzw. die Widerlegung dieser Hypothese erforderte: 1. den Einsatz verschiedener bewährter experimenteller Verfahren zur Induktion von Herzfehlern mit Veränderungen der Funktion und Morphologie und 2. eine zeitlich geschlossene Analyse von Funktion und Form des embryonalen Herzens über die komplette Entwicklung der Herzschleifenbildung einzelner Individuen hinweg. Die als Prototyp vorhandene Klimakammer wurde während des Antragsvorhabens den neuen Gegebenheiten angepasst und zahlreichen Umbauten und Erweiterungen unterzogen. Dadurch ist ein prototypischer Aufbau entstanden, der es Hühnerembryonen ermöglicht, auch bei kontinuierlicher Datenakquise und dem damit verbundenen Lichteinfall zu überleben und sich normal zu entwickeln. Die embryonale Herzbewegung kann dabei durch die Implementierung verschiedener Bildverarbeitungsalgorithmen in Echtzeit ausgewertet werden, wobei Phasenlage, Position, Skalierung und Orientierung mit einem Trackingalgorithmus erfasst und dokumentiert werden. Dies ermöglicht auch die Bewegungskompensation durch einen Positioniertisch, um das Herz während der bis zu 50 Stunden dauernden Versuchsreihen im Sichtfeld der Kamera zu halten. Zusätzlich kann die Form des Herzens im Videobild offline durch automatische modellbasierte Segmentieralgorithmen erfasst und ausgewertet werden, wie am Beispiel von Stadium HH18-Embryonen erfolgreich gezeigt werden konnte. Ergänzend zur reinen Analyse der 2D-Videobildgebung, wurde während des Antrags verstärkt die optische Kohärenztomographie als Bildgebungsverfahren eingesetzt, um zusätzlich zum Videodatenmaterial auch Tiefeninformationen vom Herz, seiner Funktion und Form zu erhalten. Um das Verfahren auch für in vivo-Aufnahmen zu etablieren, wurde das Problem der zu langsamen Akquise von Volumendaten mit dem OCT dadurch umgangen, dass die Daten mehrerer Herzschläge miteinander zu einem konsistenten 4D-Datensatz verrechnet wurden. Herzfehler konnten reproduzierbar induziert werden, was sich in einer spezifischen Bandbreite von Fehlbildungen an Tag 9 wiederspiegelte. Zur besseren Analyse der entstandenen Phänotypen wurde ein spezielles verformungsfreies und volumenerhaltendes Trocknungsverfahren als Präparation für die Mikro-CT-Bildgebung evaluiert. Die auf diese Weise erstellten Datensätze zeigen in einer so noch nicht publizierten Detailtreue die resultierenden Fehlbildungen am fertigen Herzen. Leider konnte die aufgestellte Hypothese, dass ein Zusammenhang zwischen frühen Funktionsstörungen und späteren Fehlbildungen existiert, nicht abschließend nachgewiesen werden, da die dafür nötige Anzahl an Langzeit-Versuchsreihen nicht durchgeführt werden konnte. Die Ursachen hierfür liegen in den zahlreichen Umbaumaßnahmen und Langzeiterprobungen der Klimakammer, sowie der Nichtverfügbarkeit eingeplanter Messverfahren, die die Entwicklung alternativer Ansätze erforderten. Verschiedene Arbeitspakete des Antrags wurden demnach modifiziert und der geänderten Situation während der Projektlaufzeit angepasst. Zusätzlich zu den im Antrag genannten Arbeiten wurden jedoch neue Erkenntnisse durch den Einsatz von OCT als Bildgebung, durch modellbasierte Segmentierung der Herzkontur zur Funktions- und Formanalyse und hochauflösende Micro-CT-Visualisierung erarbeitet und publiziert.
Publications
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„Automatische Segmentierung der Gewebegrenzen eines schlagenden embryonalen Hühnerherzens im 2D-Videobild“. Bildverarbeitung für die Medizin 2009: Algorithmen - Systeme - Anwendungen, Proceedings des Workshops vom 22.bis 25. März 2009 in Heidelberg
J. Thommes, T. M. Yelbuz
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(2010). Non-destructive, high-resolution 3D visualization of a cardiac defect in the chick embryo resembling complex heart defect in humans using Micro-Computed Tomography: Double outlet right ventricle (DORV) with left juxtaposition of atrial appendages (LJAA). Circulation. 122:e561-e564
C.M. Happel, C. Klose, G. Witton, Gian L. Angrisani, S. Wienecke, S. Groos, F.W. Bach, D. Bormann, J. Männer, T.M. Yelbuz
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A new method for automated segmentation of the beating embryonic chick heart. Weinstein Cardiovascular Development Conference 2010, May 20-22, 2010 – Amsterdam
J. Thommes, C.M. Happel, T.M. Yelbuz
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High-resolution 3-D imaging of the anatomy of normal and malformed embryonic chick hearts through Micro-Computed Tomography (Micro-CT) of critical point-dried heart specimens. Weinstein Cardiovascular Development Conference 2010, May 20-22, 2010 – Amsterdam
C.M. Happel, C. Klose, G. Witton, G.L. Angrisani, S. Wienecke, S. Groos, F.-W. Bach, D. Bormann, J. Männer, T.M. Yelbuz
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Rotationally acquired 4D-optical coherence tomography of embryonic chick hearts using retrospective gating on the common central A-scan. Weinstein Cardiovascular Development Conference 2010, May 20-22, 2010 – Amsterdam
J. Thommes, C.M. Happel, L. Thrane, T.M. Yelbuz
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Temperature-controlled Operating Work Station for the Chick Embryo. Weinstein Cardiovascular Development Conference 2010, May 20-22, 2010 – Amsterdam
C.M. Happel, M. Breyvogel, J. Thommes, A. Wessel, T.M. Yelbuz
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“Rekonstruktion dreidimensionaler OCT- Datensätze aus ungetriggerten rotatorischen 2D-OCT-Videoaufnahmen”. curac2010@MEDICA, Tagungsband zur 9. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Computer- und Roboterassistierte Chirurgie e.V. (CURAC) vom 18. bis 19. November 2010, Düsseldorf
J. Thommes, C.M. Happel, T.M. Yelbuz, T. Ortmaier
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(2011). Integration of an optical coherence tomography (OCT) system into an examination incubator to facilitate in vivo imaging of cardiovascular development in higher vertebrate embryos under stable physiological conditions. Ann. Anatomy. 2011 May 13 Epub ahead of print
C.M. Happel, L. Thrane, J. Thommes, J. Männer, T.M. Yelbuz
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Qualitative and quantitative analyses of the morphological-dynamics of early cardiac pumping function using video densitometry and optical coherence tomography (OCT). 77. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Kardiologie — Herz- und Kreislaufforschung vom 27. März bis 30.4.2011, Mannheim, Germany. Clin Res Cardiol 100, Suppl 1, April 2011 (P1292)
C. Happel, J. Männer, J. Thommes, L. Thrane, T. Ortmaier, T.M. Yelbuz
