Alzheimer-Plaques in 3D

Die Alzheimer-Krankheit ist für etwa 60% bis 80% aller Demenzfälle verantwortlich. Zwar kann sie sich auf unterschiedliche Weise äussern, doch macht sie sich meist zuerst dadurch bemerkbar, dass die Betroffenen Mühe haben, sich an neue Informationen zu erinnern, denn die Krankheit befällt zuerst Hirnregionen, die an der Bildung neuer Gedächtnisinhalte beteiligt sind. Die durch Alzheimer hervorgerufene Demenz zeichnet sich durch bestimmte typische Hirnschäden aus, die sich mit fortschreitender Krankheit in andere Regionen ausbreiten. zu diesen Schäden gehören die sogenannten Amyloid-Plaques – extrazelluläre Proteinansammlungen. Da diese Ansammlungen schon in frühen Stadien der Erkrankung auftreten, ist man sehr interessiert, sie bei Patienten festzustellen, um so die Krankheit zu diagnostizieren oder ihren Fortschritt zu untersuchen. Erst kürzlich wurden medizinische bildgebende Verfahren entwickelt und geprüft, die dies möglich machen sollen. Mit diesen Verfahren lässt sich zwar die Gesamtmenge der Amyloid-Ablagerungen in bestimmten Hirnregionen messen, man kann aber keine einzelnen Plaques bestimmen. Die neuesten gemeinsamen Ergebnisse zweier Forscherteams am Paul Scherrer Institut (PSI) und der ETH Zürich sowie der ETH Lausanne (EPFL) zeigen hingegen, dass die bildliche Darstellung einzelner Plaques unter bestimmten Bedingungen möglich ist. «Diese Errungenschaft kann die Entwicklung und Untersuchung neuer diagnostischer Marker für bildgebende Verfahren voranbringen und damit zu einer verbesserten Diagnose der Alzheimer-Erkrankung beitragen», erläutert Matthias Cacquevel, einer der Autoren an der EPFL.

Genaue Plaque-Verteilung in 3D

Mit einem bildgebenden Verfahren, der Phasenkontrastmethode, gelang es den Forschern, in kurzer Zeit die exakte dreidimensionale Verteilung der Amyloid-Plaques in Gehirnen von an Alzheimer erkrankten Mäusen sichtbar zu machen. Bislang waren zeitraubende Studien die einzige Möglichkeit, die Verteilung einzelner Amyloid-Plaques zu untersuchen. «Bisher hätte man für eine solche Untersuchung das Gehirn in Scheiben geschnitten und die Scheiben so eingefärbt, dass die Plaques sichtbar werden», erklärt Bernd Pinzer vom Paul Scherrer Institut, der die Untersuchungen durchführte. «Dieses Verfahren ist der Goldstandard bei solchen Untersuchungen. Es ist aber auch sehr aufwendig, weil alles von Hand gemacht werden muss. Gleichzeitig liefert es sehr viel weniger Information als unsere neue Methode. Natürlich haben wir die Ergebnisse unseres Verfahrens aber mit dieser traditionellen Methode verglichen. Die Ergebnisse stimmen hervorragend überein.»

Als erstes konkretes Ergebnis bestimmten die Forscher die Verteilung der Plaques in den Gehirnen mehrerer Mäuse mit unterschiedlich weit fortgeschrittener Krankheit. Aus jedem dieser Gehirne erhielten die Forscher ein dreidimensionales Bild der gesamten Plaque-Anordnung und konnten somit die Entwicklung der Krankheit detailliert verfolgen. Mit herkömmlichen Verfahren wäre es kaum möglich gewesen, derart umfangreiche Informationen zusammenzustellen.

Die Entwicklung hin zu verlässlichen Diagnoseverfahren

«Ein Ziel ist, mit der Phasenkontrastmethode weitere Verfahren zu testen, mit denen man zukünftig die Plaques im Gehirn lebender Patienten sichtbar machen und so die Alzheimer-Krankheit zuverlässig diagnostizieren könnte», erklärt Pinzer. «Diese Verfahren werden ständig weiterentwickelt und es ist wichtig, ihre Ergebnisse mit einer bekannten und zuverlässigen Methode zu vergleichen. So ist es nun möglich, direkt dreidimensionale Bilder der Mäusehirne zu vergleichen, die mit zwei verschiedenen Verfahren erzeugt worden sind: einer diagnostischen Methode und unserem Phasenkontrastverfahrenm. Eines der verfügbaren diagnostischen Verfahren ist die Positronen-Emissions-Tomografie (PET), bei der spezielle Moleküle an die Plaques andocken und nach einiger Zeit Gammastrahlung aussenden, die sich von aussen nachweisen lässt.»

Gegenwärtig benötigt man für die Phasenkontrastmethode hohe Strahlungsdosen, um eine hinreichend hohe Bildauflösung zu erzielen, was bisher Messungen an lebenden Tieren ausschliesst. Aber schon heute ist dieses Verfahren ein hervorragendes Forschungshilfsmittel, das zu einem besseren Verständnis der Alzheimer-Krankheit beitragen wird. «Dieses Hilfsmittel ermöglicht uns wesentlich präzisere Studien über die Verteilung der Amyloid-Plaques», unterstreicht Matthias Cacquevel, einer der Autoren von der EPFL. «Bisher sind die Zusammenhänge zwischen den Plaques und den Krankheitssymptomen noch unklar und es fehlen auch Informationen darüber, wie sich die Plaques im Gehirn ausbreiten.»

Umfangreiche Informationen aus Änderungen im Röntgenlicht

Die Untersuchungen wurden an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) des Paul Scherrer Instituts durchgeführt. Die SLS erzeugt Synchrotronlicht, eine sehr intensive und stark gebündelte Röntgenstrahlung. Im Prinzip ähnelt das Verfahren einer gewöhnlichen Röntgenuntersuchung: Die Wissenschafter senden Röntgenlicht durch das Untersuchungsobjekt und bestimmen, wie sich das Licht auf dem Weg durch die verändert. Jedoch zeigt ein normales Röntgenbild nur an, wie stark das Licht an jeder einzelnen Stelle abgeschwächt wurde - man sieht gewissermassen den Schatten des untersuchten Objekts. Nun liegt das Problem darin, dass unterschiedliche Arten von Weichgewebe die Röntgenstrahlung in etwa gleicher Weise abschwächen; folglich kann man diese Gewebearten im Röntgenbild nur schwer unterscheiden. «Mit dem Phasenkontrastverfahren, das wir hier verwenden, berücksichtigen wir zusätzlich die Tatsache, dass das Licht auch geringfügig abgelenkt wird und zwar unterschiedlich stark von verschiedenen Gewebeformen. In der Physik kennt man diesen Effekt als Phasenverschiebung», führt Marco Stampanoni, Professor für Röntgenmikroskopie am Institut für Biomedizinische Technik der ETH Zürich und Projektleiter am PSI aus. Das von ihm geleitete Forschungsteam baute die Messeinrichtung auf und entwarf das Experiment. «Unser Instrument ist in der Lage, solche feinen Verschiebungen sehr präzise zu messen und diese Informationen in verständliche Bilder umzusetzen.»

Bilder aus dem Phasenkotrastverfahren für diverse medizinische Anwendungen

«Zwar können wir mit dem Phasenkontrastverfahren noch keine Untersuchungen an Patienten durchführen, um die Alzheimer-Krankheit festzustellen, aber wir sind nahe daran, Diagnosewerkzeuge für andere Krankheiten zu entwickeln», betont Stampanoni. «Wie nützlich zusätzliche Informationen sein können, haben wir bereits mit einer Pilotstudie zur Abbildung von Brustkrebs-Tumoren bewiesen. Ein erster Schritt in Richtung Anwendung im Spital ist die Entwicklung einer Mammografieanlage, deren erster Prototyp in Arztpraxen angewandt werden soll.»

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Mensch und Gesundheit, sowie Energie und Umwelt. Mit 1500 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 300 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Über die EPFL

Die EPFL ist die kosmopolitischste unter Europas technischen Universitäten: Ihre Studenten, Professoren und ihre Belegschaft stammen aus 120 Ländern. Mit einer sowohl schweizerischen als auch internationalen Orientierung ist die EPFL vom stetigen Wunsch zur Öffnung geleitet. Ihre Lehr- und Forschungstätigkeiten und Partnerschaften erstrecken sich über unterschiedliche Bereiche, darunter Universitäten und Ingenieurschulen, Entwicklungs- und Schwellenländer, Sekundarstufenschulen und Hochschulen, Industrie und Handel, politische Kreise und die allgemeine Öffentlichkeit.