Epilepsie betrifft etwa 500.000 Menschen in Deutschland und stellt eine große Herausforderung für das Gesundheitswesen und die neuromedizinische Forschung dar, die sich bemühen, die zugrundeliegenden Mechanismen zu verstehen. Dies wird die Entwicklung neuer Therapiestrategien erleichtern. Trotz enormer Anstrengungen zahlreicher Gruppen weltweit sind die Mechanismen, wie genau aberrante neuronale Schaltungsaktivitäten genau erzeugt werden, schwer fassbar. Die Kontrolle epileptischer Anfälle wurde zuvor durch gezielte Behandlung von Knoten epileptischer Netzwerke erreicht. In jüngster Zeit wurden jedoch epileptische Choke-Punkte in entfernten Hirnregionen als mögliche alternative Ziele erkannt. Im Allgemeinen erfordert die Identifizierung von Knoten und Drosselstellen Gehirn-Mapping-Verfahren, von denen jedes von Natur aus durch die Empfindlichkeit und Spezifität der Detektionstechnik begrenzt ist. Wir schlagen vor, unseren einzigartigen Aufbau zu nutzen und optische Aufzeichnungen, neuartige MRT-Methoden und Optogenetik zu integrieren, um Anfallskarten bereitzustellen und bisher unentdeckte Knoten oder Drosselstellen direkt zu stören. Die MRT hat den besonderen Vorteil, quantitative und reproduzierbare Daten des gesamten Gehirns mit hoher räumlicher Auflösung bereitzustellen, die mit keinem anderen Verfahren zu erhalten sind. Wir nehmen an, dass mithilfe eines integrierten Opto-fMRI-Ansatzes empfindlichere Anfallskarten erstellt werden können als derzeit verfügbar. Durch die Kombination von räumlichen und zeitlichen Informationen zur Anfallsdynamik, die aus diesen Karten mit der Elektrophysiologie von Hirnschnitten erhalten wurden, können wir die effizientesten optogenetischen Werkzeuge für die Anfallskontrolle auswählen, bevor wir In-vivo-Experimente durchführen. Dies wird neuartige Manipulationsansätze ermöglichen, die mit Optogenetik effizient durchgeführt und durch opto-fMRI überwacht werden können.
Das übergeordnete Ziel dieses Projekts ist es, Gehirnregionen zu identifizieren, die als Anfallszentren im GAERS-Modell dienen, und den Beginn und die Dauer von Anfällen optogenetisch zu stören, um schließlich epileptische Anfälle zu kontrollieren. Die spezifischen Ziele sind:
Erstellung einer Anfalls-Hub-Karte von GAERS unter Verwendung der Kombination von Ca2 + -Aufzeichnungen und BOLD-fMRI und alternativ MEMRI, um Knoten und Drosselstellen epileptischer Netzwerke in beispielloser Detailgenauigkeit und Empfindlichkeit aufzudecken. (ii) Charakterisierung und Optimierung der Auswirkungen optogenetischer Interferenzen an Anfallszentren in Hirnschnitten. (iii) Etablierung einer optogenetischen Kontrolle des Beginns und der Dauer von Anfällen im GAERS-Modell in vivo, wobei neue Choke-Punkte des epileptischen Netzwerks angestrebt werden.
Förderzeitraum: 10.2016 - 04.2021

CEST-MRT zur Untersuchung des Stoffwechsels und der Funktion des Gehirns: Erkenntnisse aus der Opto-fMRI- und MR-Spektroskopie. DFG Fa474 / 6. DFG-ANR-Projekt zusammen mit Verena Hoerr sowie Luisa Ciobanu und Fawzi Bomezbeur (beide NeuroSpin, CEA, Frankreich)

Der chemische Austauschsättigungstransfer (CEST) und der chemische Austausch-Spin-Lock-MRT (CESL) sind leistungsstarke Werkzeuge für die metabolische Bildgebung. Der Nachweis spezifischer Neurometaboliten kann mithilfe der CEST / CESL-MRT mit erhöhter Empfindlichkeit sowie zeitlicher und räumlicher Auflösung im Vergleich zur NMR-Spektroskopie (MRS) durchgeführt werden, indem die Verringerung des Wassersignals nach Anwendung spezieller Vorsättigungs- oder Spin-Locking-Module abgebildet wird. Es wurden CEST-Protokolle zur Bildgebung einer großen Anzahl verschiedener Metaboliten entwickelt und vielversprechende Anwendungen in verschiedenen Disziplinen demonstriert. Kürzlich haben unsere französischen Partner die CEST-MRT eingesetzt, um durch sensorische Stimulation induzierte Veränderungen der Glukose (glucoCEST) abzubilden, und haben gezeigt, dass die CEST-funktionelle MRT (CEST-fMRI) ein vielversprechender Ersatz für den Nachweis einer erhöhten glykolytischen Aktivität während der neuralen Aktivierung ist11. Eine allgemeine Einschränkung für CEST-fMRI besteht darin, dass Signaländerungen nicht eindeutig ausschließlich einem Metaboliten zugeordnet werden können. Dies ist von besonderer Bedeutung für das Neuroimaging, da mehrere vorübergehende Änderungen der Energiestoffwechselprodukte und der Neurotransmitterspiegel beteiligt sind. In diesem Projekt wollen wir die Beiträge der drei wichtigsten Neurometaboliten Glucose, Lactat und Glutamat zum Kontrast untersuchen, der während funktioneller CEST / CESL-Experimente festgestellt wurde. Anschließend werden wir diese neuen CEST / CESL-fMRI-Techniken entwickeln und optimieren, um die Kopplung zwischen Energiestoffwechsel und Neurotransmission während der neuralen Aktivierung zu untersuchen. Unsere CEST / CESL-fMRI-Protokolle werden gemeinsam mit hoher Magnetfeldstärke auf zwei Kleintierscannern in Frankreich und Deutschland implementiert und zur Kartierung von Konzentrationsänderungen dieser Metaboliten im Rattenhirn verwendet, um die Spezifität von CEST / CESL-fMRI zu überprüfen und die Beiträge einzelner Metaboliten zu trennen, werden von den französischen Partnern lokalisierte 1H- und indirekte 1H- {13C} MRS-Techniken eingesetzt. Um die zelltypspezifischen Beiträge zum CEST / CESL-Signal weiter zu bewerten, werden in Münster gleichzeitig mit der MRT optogenetische Methoden eingesetzt. Die Virustransduktion wird verwendet, um sowohl Opsine als auch Fluoreszenzreporterproteine ​​für Calcium, Lactat12 oder Glutamat13 in definierten Zelltypen (Neuronen, Astrozyten) zu exprimieren. Das zelltypspezifische Auslesen von Fluoreszenzsignalen bei sensorischer oder zelltypspezifischer (optogenetischer) Stimulation ermöglicht es uns, individuelle Beiträge zum beobachteten funktionellen CEST / CESL-Signal zu identifizieren.
Das Ergebnis dieser Arbeit wird aus robusten und validierten Erfassungsprotokollen mit einem starken Potenzial für die Verwendung in anderen Organen bestehen. Die Anwendung beim Menschen kann durch bevorstehende klinische Systeme mit hohem Magnetfeld erleichtert werden. Auf einer grundlegenderen Ebene könnte die Verwendung von CEST / CESL-fMRI-Methoden dazu beitragen, die metabolische Kopplung innerhalb der glial-neuronal-vaskulären Funktionseinheit während spezifisch entwickelter Aktivierungsparadigmen unter normalen und pathologischen Bedingungen oder nach pharmakologischen Herausforderungen zu untersuchen
Förderzeitraum: 02.2019 - 01.2022

Pluripotente c-kit + -Zellen haben in experimentellen Modellen des Myokardinfarkts vielversprechende therapeutische Wirkungen gezeigt. Andererseits haben mehrere negative Berichte aus klinischen Pilotstudien mit pluripotenten Stammzellen aus dem Knochenmark zu Enttäuschungen geführt. Mögliche Ursachen für ein Versagen bei der Übertragung der Stammzelltherapie auf Patienten werden kontrovers diskutiert. Um die pathophysiologischen Gründe für das Scheitern oder den Erfolg solcher neuartigen Therapieansätze zu bestimmen, sind spezielle Diagnosewerkzeuge erforderlich, die die c-kit-abhängigen spezifischen Aspekte der Myokardverletzung und -heilung bestenfalls nicht-invasiv und quantitativ verfolgen.
In der vorangegangenen Förderperiode wurde gezeigt, dass bestimmte C-Kit-abhängige Aspekte der Myokardverletzung und -heilung durch bestimmte nicht-invasive bildgebende Verfahren bewertet werden können. Das aktuelle Projekt erforscht und entwickelt diese Ansätze weiter und etabliert quantitative bildgebende Biomarker für C-Kit-abhängige Mechanismen der Myokardverletzung und -heilung. Zunächst wird die Bildgebung mehrerer molekularer Kontrastmittel durch semi-quantitative MR-Kartierungstechniken etabliert. Zweitens werden bildgebende Verfahren verwendet, um die Auswirkungen des C-Kits auf Schlüsselmechanismen der Myokardverletzung und -heilung wie Ödeme und Permeabilität, Bildung der extrazellulären Matrix und Synthese elastischer Fasern bei Mäusen mit C-Kit-Mangel zu bewerten. Drittens werden In-vivo-Bildgebungsergebnisse durch neuartige Massenspektrometrie-Bildgebungstechnologien (MSI) weiter untersucht, und MSI wird angewendet, um das Vorhandensein von molekularen Kontrastmitteln auf Gadoliniumbasis im Gewebe zu quantifizieren, die dann mit In-vivo-Bildgebungsergebnissen korreliert werden können. Und viertens werden wir den kombinierten MRT-MSI-Ansatz anwenden, um quantitative Bewertungen des Therapieansprechens auf neuartige Therapien für ischämische Myokardverletzungen bereitzustellen. Dieser Ansatz hat das Potenzial, quantitative bildgebende Biomarker für die Heilung und den Umbau des Myokards zu liefern.
Förderzeitraum: 02.2020 - 01.2023