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Im Netzwerk winziger Blutgefäße: Virtuelle Erkundungsreisen mit neuer Software aus Bayreuth

26.02.2018

Kleinste Blutgefäße des Menschen mit hoher Präzision in tausendfacher Vergrößerung darzustellen – dies ist Forschern der Universitäten Bayreuth und Marburg gelungen. Mit Virtual-Reality-Brillen aus der Welt der Computerspiele ist es jetzt möglich, virtuelle Erkundungsreisen durch ein komplexes Geflecht winziger Blutgefäße zu unternehmen. Auf diese Weise haben die Wissenschaftler neue Erkenntnisse zur Milz gewonnen, die sie in der Zeitschrift PLOS ONE vorstellen.

Die Forschergruppen um Prof. Dr. Michael Guthe und Dr. Oleg Lobachev in Bayreuth (Informatik) und Prof. Dr. Birte Steiniger in Marburg (Anatomie) haben 2017 ein Verfahren auf den Weg gebracht, mit dem sich hochauflösende 3D-Darstellungen kleinster Blutgefäße im Knochenmark oder in der Milz herstellen lassen.


Die Follikel der Milz (graue Bereiche) sind von winzigen Gefäßen umgeben. Miteinander verbundene Gefäße sind durch die gleiche Farbe gekennzeichnet. Maßstabsbalken: 200 Mikrometer = 0,2 Millimeter.

Grafik: Oleg Lobachev


Die Gefäße der weißen Pulpa (im Zentrum) sind mit den Blutgefäßen verbunden, welche die rote Pulpa (in den Außenbereichen) durchdringen. Maßstabsbalken: 100 Mikrometer = 0,1 Millimeter.

Grafik: Oleg Lobachev

Darauf aufbauend, haben sie jetzt eine neue Software entwickelt, mit der die Bilder von Gewebeschnitten in tausendfacher Vergrößerung zu 3D-Modellen zusammengesetzt werden können. Virtual-Reality-Brillen, wie sie in zahlreichen Computerspielen zum Einsatz kommen, nehmen den Betrachter mit auf eine Reise durch Netzwerke von Gefäßen, die oftmals nur einen Durchmesser von wenigen Tausendstel Millimetern haben. Auf diese Weise lassen sich die Blutgefäße weitaus genauer untersuchen als bisher.

Zugleich können die Bilder der Gewebeschnitte in die daraus erzeugten vergrößerten Modelle eingeblendet werden. Dies ermöglicht direkte Vergleiche, die der fortlaufenden Qualitätskontrolle der Modelle dienen.

Die Bayreuther Informatiker betonen, dass diese Virtual-Reality-Technologie vor allem für die medizinische Grundlagenforschung aufschlussreich ist. Um eines Tages routinemäßig in der Diagnostik eingesetzt werden zu können, bedarf es noch schnellerer Rechner, weil dann in kurzer Zeit sehr große Datenmengen verarbeitet werden müssen.

Neue Erkenntnisse über die Blutgefäße der Milz

Die Forschergruppen in Bayreuth und Marburg haben das neue Visualisierungsverfahren eingesetzt, um die Struktur und den Verlauf winziger Gefäße – der sogenannten Kapillaren – innerhalb der Milz des Menschen aufzuklären. Grundlegend ist dabei die Gliederung der Milz in zwei Bereiche, die weiße und die rote Pulpa, die unterschiedliche Funktionen erfüllen.

Die weiße Pulpa enthält vor allem zwei verschiedene Arten weißer Blutkörperchen, die B- und T-Lymphozyten. Hier kommen nur sehr wenige Kapillaren vor. An der Oberfläche der weißen Pulpa – insbesondere an der Oberfläche von B-Lymphozyten-Ansammlungen, die man als Follikel bezeichnet – liegt dagegen ein dichtes Netzwerk von Kapillaren. Diese werden überwiegend aus einem gröber strukturierten Kapillarnetz der umgebenden roten Pulpa versorgt.

An der Oberfläche der Follikel und in der roten Pulpa haben zahlreiche Kapillaren offene Enden. „Damit lassen unsere 3D-Modelle klar erkennen, wie die Milz in den Blutkreislauf des Menschen eingebunden ist. Aus den offenen Kapillarenden in der roten Milzpulpa fließt das Blut offensichtlich ohne Gefäße weiter, bevor es wieder in das Venensystem eintritt. Hier kommt es direkt mit Freßzellen (Makrophagen) in Kontakt, die das Blut von schädlichen Fremdkörpern und überalterten roten Blutkörperchen befreien“, erklärt Dr. Oleg Lobachev.

Video einer virtuellen Reise durch ein Netzwerk von Blutgefäßen:
https://youtu.be/IYe6Drm0mZo

Veröffentlichung:

Birte S. Steiniger, Christine Ulrich, Moritz Berthold, Michael Guthe, Oleg Lobachev, Capillary networks and follicular marginal zones in human spleens. Three-dimensional models based on immunostained serial sections.
PLOS ONE (2018) 13(2): e0191019. DOI: 10.1371/journal.pone.0191019.

siehe auch die Pressemitteilung der Universität Bayreuth vom 19. April 2017:
„Dreidimensionale Bilder vom Netzwerk kleinster Blutgefäße: ein neues hochauflösendes Verfahren aus Bayreuth“
http://www.uni-bayreuth.de/de/universitaet/presse/pressemitteilungen/2017/038-bl...

Kontakt:

Prof. Dr. Michael Guthe
Lehrstuhl für Graphische Datenverarbeitung
Institut für Informatik
Universität Bayreuth
95440 Bayreuth
Telefon: +49 (0) 921 55-7600
E-Mail: michael.guthe@uni-bayreuth.de

Christian Wißler | Universität Bayreuth

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