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TRM Leipzig verbessert Analyse des weißen Hautkrebses mittels 3D-Rekonstruktion

12.08.2010
Ein Basalzellkarzinom ist ein weitverzweigtes und elastisches Gebilde. Der Tumor – auch als weißer Hautkrebs bekannt – kann von der Hautoberfläche bis in Knorpel und Knochen vordringen. Um dieses Ausbreiten und Wachsen besser zu verstehen, dafür sind spezifizierte Analyseverfahren erforderlich. Ein wesentlicher Schritt hierfür ist die dreidimensionale Visualisierung des Karzinoms. Diese gelang jetzt erstmalig am Translationszentrum für Regenerative Medizin Leipzig.

Auf den ersten Blick ist ein Basalzellkarzinom (BCC) nicht übermäßig erschreckend. Der sog. weiße Hautkrebs gilt als semimaligne, halbbösartig: Der Tumor kann zwar auch tiefe Strukturen wie Knorpel und Knochen infiltrieren und zerstören. Doch wird er frühzeitig operativ entfernt – dies gilt nach wie vor als Therapie der Wahl – fällt die Prognose gemeinhin gut aus.

Eine Problematik allerdings bringt der Hautkrebs mit sich: Zumeist treten die Tumoren im Gesicht, insbesondere an Stirn, Wangen, Nase und Oberlippe, auf. Und so zeigt sich auf den zweiten Blick, dass ein chirurgischer Eingriff den Tumor zwar vollständig entfernen muss, zugleich aber Haut und Gewebe weitgehend schonen soll.

Das ist ein Spagat, dem sich Dermatologen bei jährlich bis zu 240.000 Neuerkrankungen allein in Deutschland tagtäglich ausgesetzt sehen. „Entscheidend ist, die Ränder des Tumors während der OP so zu erfassen, dass dieser vollständig entfernt ist“, erläutert Dr. Tino Wetzig. „Andernfalls besteht das Risiko, dass das Karzinom später neu nachwächst.“ Ziel muss also ein Verfahren sein, mit dem sich die Grenzen des Basalzellkarzinoms und damit die Grenzen des chirurgischen Eingriffs klar umreißen lassen.

Dieses Anliegen hat den Oberarzt vom Universitätsklinikum Leipzig AöR ans Translationszentrum für Regenerative Medizin (TRM) Leipzig geführt. Zu Patrick Scheibe. Der Informatiker arbeitet seit März 2007 in einer von drei Serviceeinheiten. Diese sog. Core Units fungieren als zentrale Anlaufstelle für die Forschenden am TRM, unterstützen die Wissenschaft mit methodisch-technischen Leistungen u. a. aus dem Bereich „Computergestützte Mikroskopie“.

Hier geht es um die Prüfung, die Auswertung und die Verbesserung medizinischer Bilddaten. Am Schnittpunkt von Informatik und Medizin angesiedelt gehen aus dem Aufgabengebiet auch wissenschaftliche Publikationen hervor. Aktuell im Fachjournal „Experimental Dermatology“, in dem TRM-Mitarbeiter Patrick Scheibe zur erstmaligen dreidimensionalen Rekonstruktion eines Basalzellkarzinoms publiziert.

„Um zu klären, ob die Schnittränder frei von Krebszellen sind, wird das Gewebe entnommen, präpariert und unter dem Mikroskop untersucht“, schildert Scheibe das derzeitige Vorgehen. Häufig muss dann nachgeschnitten werden, zum Teil mehrmals. Direkt präoperativ die Ausbreitung des Basalzellkarzinoms zu prüfen, das hingegen geht bislang nicht. Dafür fehlt zum einen ein 3D-Modell des Karzinoms, das beispielsweise die Infiltrationstiefen und Richtungen der verschiedenen Tumorsubtypen statisch quantifiziert. Zum anderen bedarf es eines spezifizierten Analyseverfahrens, mit dem sich vor der Operation die Krebszellen in vivo erkennen ließen.

Am ersten Punkt nun haben Patrick Scheibe und seine Mitautoren angesetzt: Erstmals erarbeiteten sie die wissenschaftlichen Prinzipien, die der dreidimensionalen Rekonstruktion des BCC zugrunde liegen und publizierten diese in der aktuellen Ausgabe von „Experimental Dermatology“. Bisher war vor allem ein 3D-Verfahren für den Gebärmutterhalskrebs bekannt. Im Kern sind vier Arbeitsschritte vom Gewebsschnitt hin zur räumlichen Nachbildung erforderlich: Starre Registrierung, nichtlinearer Glättungsfilter, Segmentierung und nichtlineare Registrierung. Hinter der Entwicklung des neuen Verfahrens steckt eine akribische Detailarbeit, für die zuerst 200 Gewebsschnitte erstellt, präpariert und gescannt wurden. Die einzelnen Scans wurden anschließend so verschoben und gedreht, dass sie über den Achsenmittelpunkt zu einem kompakten Bildblock gelegt werden konnten. Über einen Segmentierungsalgorithmus, der die unterschiedlichen Gewebearten mittels des Farbraumes der Bilder klassifiziert, ließen sich nunmehr der Hintergrund, das Umgebungsgewebe und der Tumor erkennen. Im Ergebnis konnte der Basalzelltumor bis in seine feinsten Verästelungen und kleinsten Ausbuchtungen identifiziert werden.

Patrick Scheibe vergleicht das Prozedere mit einem gefüllten Brot. „Es geht darum, den Kern herauszuschälen, ihn über die drei Dimensionen Breite, Länge, Tiefe räumlich sichtbar zu machen, ohne dass wir eine Krume Brot zuviel oder einen Krümel Füllung zu wenig abbilden.“ Dabei ist die erstmals erfolgte dreidimensionale Rekonstruktion des Basalzellkarzinoms der erste Schritt der wissenschaftlichen Arbeit. Wichtiger jedoch ist, dass die 3D-Rekonstruktion genau die Datensätze liefert, die die Grundlage bilden für eine umfassende morphologische Analyse des Tumorwachstums. Auf diesem Weg lässt sich letztlich ein tieferes Verständnis von den Charakteristika und für die Behandlung des weißen Hautkrebses erlangen.

Für den 30jährigen Informatiker ist die 3D-Rekonstruktion des Basalzellkarzinoms mit dem Artikel in „Experimental Dermatology“ abgeschlossen. Er steckt schon im nächsten Forschungsprojekt des Translationszentrums für Regenerative Medizin. Für ein Großtiermodell werden seine Kenntnisse benötigt, um herauszufinden, welche Marker sich wie gut für Untersuchungen via Magnetresonanztomografie eignen.

Das Translationszentrum für Regenerative Medizin (TRM) Leipzig wurde im Oktober 2006 gegründet, um Forschungsergebnisse der regenerativen Medizin zügig in die klinische Anwendung zu überführen. Das Zentrum unterstützt junge Forschungsvorhaben, die Produkte und Verfahren für Diagnostik und Therapie entwickeln und erfolgreich in die klinische Anwendung bringen wollen. Es wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung, den Freistaat Sachsen und die Universität Leipzig gefördert.

Publikation in Experimental Dermatology:
Patrick Scheibe et al., Image-processing chain for a three-dimensional reconstruction of basal cell carcinomas, Experimental Dermatology, Volume 19, Issue 7, pages 689–691.

Autorin: Daniela Weber (TRM Leipzig)

Manuela Lißina-Krause | idw
Weitere Informationen:
http://www.trm.uni-leipzig.de
http://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1600-0625.2010.01100.x/abstract

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