Visualisierungen zur Verbesserung der Kommunikation in multidisziplinären Teams

Überblick

Es ist mir eine große Freude, unseren nächsten Redner, Dr. Guillermo Tearney, vorzustellen. Dr. Tearney ist Professor für Pathologie an der Harvard Medical School und verfügt über einen beeindruckend breiten Hintergrund in Forschung, medizinischer Bildgebung und Ingenieurwesen. Dr. Tearney hält über hundert erteilte Patente und Lizenzen, die in kommerzielle medizinische Geräte eingeflossen sind. Er war als leitender Prüfarzt an über 40 Forschungsprojekten beteiligt und hat mehr als 150 Artikel in begutachteten Fachzeitschriften veröffentlicht, wobei er stets höchste Standards bei der Darstellung und Kommunikation seiner wissenschaftlichen Arbeit anlegt. Wir freuen uns sehr, dass Dr. Tearney heute in dieser Sitzung zu uns spricht. Ohne weitere Umschweife: Dr. Tearney, Sie haben das Wort.

Wie bereits erwähnt, bin ich Pathologe und Ingenieur. Meine Karriere wurde maßgeblich durch das Buch und den Film „Die phantastische Reise“ inspiriert. Der aktuelle medizinische Standard in der Pathologie sieht vor, dass Gewebe aus dem Körper entnommen, verarbeitet, gefärbt und anschließend unter dem Mikroskop untersucht wird, um eine Diagnose zu stellen. „Die phantastische Reise“ hat unsere Vorstellungskraft beflügelt und die Frage aufgeworfen: Was wäre, wenn wir winzige Mikroskope bauen und diese direkt in den Körper einführen könnten? So könnten wir mikroskopische Strukturen wie Zellen sehen, deren Veränderungen oder Fehlbildungen die Anzeichen von Krankheiten sind. Vielleicht könnten wir sogar den gesamten Körper untersuchen, während wir ihn durchqueren, und Behandlungen auf zellulärer Ebene durchführen. Das würde es uns letztlich ermöglichen, Krankheiten in einem viel früheren Stadium zu heilen und zahlreiche Leben zu retten.

Diese Vision hat ein neues Fachgebiet hervorgebracht: die Mikro-Bildgebung. Die Idee ist es, das Unsichtbare in lebenden Patienten sichtbar zu machen. Aktuell umfasst die Bildgebung makroskopische Verfahren wie Röntgen, CT oder MRT, bei denen man Krankheiten auf Organebene erkennt. Ich möchte jedoch Krankheiten auf mikroskopischer Ebene sichtbar machen. Auf dieser Übersichtsgrafik sehen Sie eine Skala von 10 Millimetern bis zu einem Angström. Epithel-Drüsen, Nerven, Gefäße, Zellkerne und Mitochondrien sind verschiedene Merkmale, die man im Gewebe erkennt, wenn man die Auflösung immer weiter erhöht. Eine der Technologien, die wir entwickelt haben, um dies im menschlichen Körper zu ermöglichen und das Unsichtbare sichtbar zu machen, ist die Optische Kohärenztomografie (OCT), die mit einer Auflösung von etwa 10 Mikrometern arbeitet. Bei noch höherer Auflösung kann man einzelne Zellen erkennen. Hierfür nutzen wir die spektral kodierte konfokale Mikroskopie und die oblique Rückstreumikroskopie. Schließlich lassen sich mit einer Technologie namens Ein-Mikrometer-Auflösungs-OCT oder Mikro-OCT noch höhere Auflösungen und dynamische Informationen gewinnen.

Ein weiterer großer Vorteil dieses Verfahrens am lebenden Patienten gegenüber der Gewebeentnahme ist die Möglichkeit, den gesamten Körper zu untersuchen. Mit diesen Technologien können ganze Organe abgebildet werden. Anstatt nur ein kleines Gewebestück zu entnehmen, das möglicherweise nicht repräsentativ für die Erkrankung des Patienten ist, kann man das gesamte Organ scannen und den Bereich mit dem stärksten Befall lokalisieren.

Zuerst möchte ich Ihnen etwas über die OCT erzählen. Wie erwähnt, handelt es sich um eine Bildgebungstechnologie mit einer Auflösung von 10 Mikrometern. Eines der ersten Dinge, die wir damit erreicht haben, war die Erschließung der mikroskopischen Koronardiagnostik. Die Herzkranzgefäße versorgen den Herzmuskel mit Blut. Wenn sie blockiert sind, kann dies zu einem Herzinfarkt führen. Vor der OCT konnte man die mikroskopischen Strukturen in den Herzkranzgefäßen nicht wirklich sehen. Es stellt sich heraus, dass genau diese mikroskopischen Strukturen die Ursache für die Plaques sind, die Herzinfarkte auslösen. Wir haben Katheter entwickelt und sie in die Herzkranzgefäße von Patienten eingeführt. Dies sind Daten des ersten Patienten, der 2007 mit dieser Technologie untersucht wurde. In der unteren linken Ecke sehen Sie einen Film mit Bildern, die aufgenommen wurden, während der Katheter rotiert und sich innerhalb der Arterie zurückzieht. Anschließend kann man die verschiedenen Gewebebestandteile einfärben und in 3D rendern. So erhält man virtuelle Flüge durch die Herzkranzarterie, wie im Bild unten rechts zu sehen – sehr ähnlich dem, was man im Film „Die phantastische Reise“ sah.

Wir haben auch den Einsatz dieser Bildgebung im Magen-Darm-Trakt erforscht. Eine der Methoden, die wir einsetzen, verwendet Kapseln an einem Kabel. Man schluckt diese Kapseln, die etwa die Größe einer großen Vitamintablette haben. Das Kabel dient sowohl dazu, das Licht für die Mikroskopie zu leiten, als auch das Gerät im Körper zu steuern. Hier sehen Sie den Ablauf eines typischen Eingriffs. Dies war tatsächlich der erste durchgeführte Eingriff. Es war ein Postdoc, der die Kapsel etwas misstrauisch betrachtete, sich dann aber entschied, sie zu schlucken. Nach wenigen Sekunden erhält man diese sehr schönen Querschnittsbilder, während die Kapsel durch den Magen-Darm-Trakt wandert. Man kann alle verschiedenen Schichten mit unglaublicher Klarheit erkennen. Wichtig ist, dass wir anhand dieser kapselbasierten Bilder Krankheiten diagnostizieren können. Auf der linken Seite sehen Sie eine normale Speiseröhre mit ihrem geschichteten Aufbau. Auf der rechten Seite ist eine Vorstufe von Speiseröhrenkrebs zu sehen, der sogenannte Barrett-Ösophagus. Man erkennt, dass ein Großteil dieser Schichtstruktur verloren gegangen ist – das ist das einfache Kriterium für die Diagnose dieser präkanzerösen Erkrankung. Wir nutzen dies nun, um Patienten auf Barrett-Ösophagus zu untersuchen, damit sie engmaschiger überwacht werden können und Krebs in einem früheren Stadium erkannt wird.

Der Magen ist ein weiteres interessantes Gebiet. Dies ist wieder derselbe Postdoc, den ich Ihnen zuvor gezeigt habe, und hier sieht man verdaute Nahrung im Magen. Es ist ein wunderschönes, wirbelndes Muster. In der unteren rechten Ecke erkennt man die Magenschleimhaut sowie Schleim zwischen der verdauten Nahrung.

Wir haben auch das Innere des Dünndarms abgebildet, den nächsten Abschnitt des Verdauungstraktes. Der Dünndarm ist mit fingerartigen Ausstülpungen, den sogenannten Zotten, ausgekleidet, die bei der Nahrungsaufnahme helfen. Man kann die Dynamik der Zotten unglaublich gut beobachten, während die Kapsel durch den Dünndarm wandert. Es ist erstaunlich, dass eine solche Aufnahme mit einer winzigen Kapsel überhaupt möglich ist. Dies ist ein 3D-Flug, bei dem die Daten genommen und in 3D gerendert wurden, um virtuell hindurchzufliegen. Aufgrund der vielen Zotten sieht es sehr schwammartig aus. Wenn Sie hier schauen, können Sie tatsächlich Galle sehen, eine Flüssigkeit im Darm, die sich angestaut hat. Wenn wir unter diese Schicht schauen, sehen wir eine Öffnung im Dünndarm, die Papilla Vateri; hier tritt die Galle in den Dünndarm aus, zusammen mit Bauchspeicheldrüsensekreten. Wie gesagt, all dies wurde mit einer Kapsel aufgenommen, nachdem sie geschluckt wurde, und der Eingriff dauerte nur wenige Minuten. Es gibt so viele Anwendungsmöglichkeiten für die Diagnose von Krankheiten wie Zöliakie oder das Screening auf Bauchspeicheldrüsenkrebs, und all das kann direkt am Patienten durchgeführt werden. Es ist keine Sedierung erforderlich, und die Patienten ziehen das Schlucken dieser Kapsel einer aufwendigeren endoskopischen Untersuchung bei weitem vor.

Kommen wir zur hochauflösenden Technologie: Ich spreche von der spektral kodierten konfokalen Mikroskopie, die tatsächlich einzelne Zellen sichtbar macht. Dies ist ein typisches Bild eines spektral kodierten konfokalen Mikroskops – ein riesiges Bild. Es hat 100.000 mal 100.000 Pixel, sodass man wie bei Google Earth hineinzoomen und schwenken kann. Sie sehen jetzt die Zellkerne all dieser Zellen sowie die Zellmembranen. Es ist wie Google Earth, nur für Ihren Körper. Man kann eine sehr geringe Vergrößerung wählen und dann bis auf ein einzelnes „Haus“ zoomen – in diesem Fall ein Zellkern – und durch das Gewebe navigieren. Eines der Gebiete, in denen dies vielversprechend ist, ist die eosinophile Ösophagitis. Dabei handelt es sich um eine Entzündung der Speiseröhre, die durch Nahrungsmittelallergien verursacht wird. Wenn man ein bestimmtes Lebensmittel isst, gegen das man allergisch ist, wandern diese Entzündungszellen, die Eosinophilen, in die Speiseröhre und verursachen Schäden. Derzeit müssen sich Patienten mit dieser Erkrankung sehr vielen Endoskopien unterziehen. Das ist sehr unangenehm, zeitaufwendig, und viele dieser Patienten sind Kinder. Wir versuchen stattdessen, eine Kapsel zu entwickeln, die man schlucken kann. Sie nimmt dieselben Bilder auf, die ich Ihnen zuvor gezeigt habe, aber ohne dass eine Biopsie erforderlich ist. Man schluckt einfach die Kapsel, erhält die Bilder der Zellen und kann feststellen, ob die Behandlung anschlägt oder nicht. Hier sehen Sie einen Patienten, der die Kapsel schluckt. Es ist ein ziemlich einfacher Vorgang, und wir erhalten am Ende dieses riesige mikroskopische Bild der Speiseröhre dieser Person – in diesem Fall über 20 Zentimeter, vom Magen auf der rechten Seite bis zum Rachen auf der linken Seite. Auch hier gilt: Wenn man an eine beliebige Stelle zoomt, kann man verschiedene Zellen des Magens sehen. Man erkennt einen Bereich, der eine normale Speiseröhre zeigt und ziemlich grau und unauffällig aussieht, und dann einen Bereich, in dem diese Entzündungszellen vorhanden sind. Man sieht diese weißen Punkte, die charakteristisch dafür sind, dass es sich um einen erkrankten Bereich mit Entzündung handelt.

Eine weitere Technologie, die wir entwickeln, zielt darauf ab, die Kapsel vom Kabel zu befreien. Dies ist ein komplett kabelloses Mikroskop, das eine Technologie namens OBM verwendet – im Grunde eine Phasenkontrast-Mikroskopietechnologie, die in menschlichem Gewebe funktioniert. Hier zeigt der Postdoc, dass es keine Kabel gibt. Alles ist batteriebetrieben und überträgt Daten drahtlos. Es wird magnetisch aktiviert; man platziert es in der Nähe dieser Metallscheibe, die ein Magnet ist, und es liegt nun auf einem Phantom, das Kügelchen enthält. Man kann es umdrehen, und das sind 10-Mikrometer-Kügelchen, so groß wie eine Zelle. Wir übertragen die Bilder dieser Kügelchen im Phantom drahtlos auf den Computermonitor. Diese Art von Technologie könnte es uns ermöglichen, „Die phantastische Reise“ Wirklichkeit werden zu lassen. Wir können diese kabellosen Mikroskope nehmen, ihre Position im Körper steuern – dies ist ein Beispiel für ein magnetisches Steuerungssystem, das sie durch den Körper bewegen kann. Dann können wir 3D-Bilder erhalten, die wir in Virtual-Reality-Systeme einspeisen können. Das erlaubt uns, die Kapsel zu bewegen und sogar chirurgische Laser bereitzustellen, die Behandlungen durchführen können – nicht makroskopisch, sondern auf zellulärer Ebene. Die große Vision ist, dass dies eines Tages Wirklichkeit wird: Wir werden diese Mikroroboter haben, die sich in unserem Körper bewegen, und wir müssen Menschen nicht mehr aufschneiden, um Operationen durchzuführen.

Nun spreche ich über die Technologie mit der höchsten Auflösung, die wir haben: das Mikro-OCT. Es ist eine fortgeschrittene Form der OCT, hier im blauen Bereich dargestellt. Wenn wir die Mikro-OCT-Bilder mit den Standard-OCT-Bildern vergleichen, sehen wir die unglaubliche Steigerung der Bildqualität und Auflösung, die diese neue Technologie bietet. Hier sehen wir einzelne Zellkerne. Hier sehen wir Zellgrenzen, und dies ist ein Fall, in dem wir uns Entzündungszellen ansehen. Wie Sie sehen, sieht es bei der Standard-OCT eher verwaschen aus. Man erkennt keine dieser Merkmale. Wir haben das Mikro-OCT im Herz-Kreislauf-System erforscht. Anstatt nur Bilder mit einer Auflösung von 10 Mikrometern zu betrachten, können wir Bilder mit einer Auflösung von einem Mikrometer erhalten und all diese Zellen sehen, die zur Arteriosklerose beitragen, wie glatte Muskelzellen, Makrophagen (eine Art Entzündungszelle), das Endothel (die Zellen, die die Oberfläche der Arterien bedecken) sowie andere Strukturen wie Kristalle, die sich in der Arterie bilden, und Blutplättchen. Wir können unglaubliche Details der Stent-Implantate sehen, die in die Arterien eingesetzt werden, um sie offen zu halten, und beobachten, wie Zellen darauf reagieren.

Wir haben auch einen Katheter entwickelt, der dies ermöglicht. Er hat einen speziellen Strahl, der eine Reihe von Ringen erzeugt, was diese hohe Auflösung ermöglicht. Dies ist ein Teil der Herzkranzarterie, der mit dem Katheter abgebildet wurde. In der 3D-Perspektive sieht man, dass die Oberfläche sehr rau ist. Die Rauheit entsteht dadurch, dass Zellen an der Oberfläche haften und die Arterienwand angreifen. Wenn man sich das Querschnittsbild ansieht, kann man diese Zellen – Makrophagen – tatsächlich dabei beobachten, wie sie miteinander kommunizieren. Hier ist zum Beispiel eine weitere Zelle, ein Makrophage, der gerade Kristalle angreift, die in der Arterienwand sitzen.

Eines der tollen Dinge am Mikro-OCT ist, dass es nicht nur Einblicke in die Gewebestruktur, sondern auch in die Dynamik bietet. Dies ist ein Beispiel, bei dem wir uns kleine Strukturen auf den Atemwegszellen ansehen, die sogenannten Zilien. Diese Zilien sind wie kleine Ruder, die hin und her schlagen. Ihr Zweck ist es, Schleim aus unserer Lunge zu befördern. Man kann die Zilien im Mikro-OCT tatsächlich sehen. Mit keiner anderen Technologie ist das möglich. Dies ist eine Zellkultur. Man kann die Zilien und den Schleim sehen, aber man kann es auch in menschlicher Gewebekultur beobachten. Man sieht, wie die Zilien schlagen und sich der Schleim bewegt.

Wir haben kürzlich damit begonnen, dies in der Nase zu untersuchen, da die Zilien in der Nase Aufschluss über die Zilien in der Lunge geben. Dies ist einer unserer Eingriffe, bei dem wir eine kleine Sonde in die Nase einführen. Man erhält diese Bilder der menschlichen Nase in vivo, auf denen man tatsächlich sehen kann, wie diese kleinen Zilien an der Oberfläche flackern. Wir können Krankheitszustände untersuchen, zum Beispiel Mukoviszidose, bei der die Zilien abnormal werden und der Schleim sich verändert. Man kann alle möglichen Befunde sehen, wie im Bild unten links. Man sieht, dass die Zilien verschwunden sind und sich der Schleim kaum noch bewegt. In einigen der unteren Bilder auf der rechten Seite sieht man Entzündungszellen und andere Anomalien im Schleim, der viel stärker reflektiert und dessen Oberfläche eher zerklüftet und zerfressen wirkt.

Ein weiterer Vorteil des Mikro-OCT ist, dass man tatsächlich beobachten kann, wie sich Moleküle und Organellen innerhalb von Zellen bewegen. Man kann den Bildkontrast basierend auf der Geschwindigkeit der Bewegung dieser Strukturen innerhalb der Zellen charakterisieren und verändern. Wenn wir also einen Mikro-OCT-Film eines Gewebestücks aufnehmen und viele Einzelbilder über die Zeit erfassen, sehen wir eine gewisse Modulation. Das Bild verändert sich unterschiedlich und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in verschiedenen Bereichen. Wenn wir das farblich kodieren – zum Beispiel Rot für langsame oder keine Bewegung, Blau für mittlere Bewegung und Grün für schnelle Bewegung –, erhalten wir ein zusammengesetztes Bild, das nicht nur einen viel größeren Kontrast als das ursprüngliche Graustufenbild aufweist, sondern dieser Kontrast ist auch aussagekräftig. Mit anderen Worten: Es zeigt Ihnen, was innerhalb der Zelle vor sich geht. Es stellt sich heraus, dass diese blaue und grüne Bewegung einer stoffwechselähnlichen Aktivität entspricht. Wenn Zellen also metabolisch aktiv sind, erscheinen sie blau und grün. Wenn Zellen jedoch statisch sind oder Teile von ihnen abgestorben sind, erscheinen sie im Bild rot.

Dies ist ein Beispiel dafür. Oben sehen Sie das standardmäßige Graustufen-Mikro-OCT-Bild. Darunter ist das dynamische Mikro-SD-Bild zu sehen. Es ist deutlich mehr Struktur erkennbar, und es sieht fast genauso aus wie die konventionelle Histologie, die wir verwenden. Wenn wir etwas näher heranzoomen, erkennt man, dass die untere Schicht sehr blau ist, was auf eine hohe Stoffwechselaktivität hindeutet – was tatsächlich der Fall ist. In der mittleren Schicht ist es noch etwas bläulich, und in der obersten Schicht verschwindet das Blau weitgehend. Das verrät uns viel darüber, wie dieses Gewebe wächst: Die Zellen teilen sich unten, reifen heran, sterben ab und werden an der Oberfläche abgestoßen. Mit der dynamischen Mikro-OCT-Technologie können wir diesen Prozess tatsächlich beobachten. Das ist wirklich spannend und eröffnet neue Möglichkeiten für die Krebsdiagnose sowie für die Diagnose anderer Anomalien der inneren Auskleidung unserer Körperorgane.

Dies ist eine Zusammenfassung unserer bisherigen Arbeit. Wir haben versucht, die „Phantastische Reise“ Wirklichkeit werden zu lassen. Wir haben all diese bildgebenden Verfahren entwickelt sowie Sonden und Kapseln, die ihren Einsatz im Patienten ermöglichen. Wir arbeiten sogar an drahtlosen Kapseln, mit denen wir diese Zellen sehen können. Ich würde sagen, dass dies alles durch die Pipeline in unserem Labor ermöglicht wird, in der wir diese Mikroskope erfinden. Sie sind riesig, stehen auf großen Tischen und sind von Lasern umgeben. Wir finden Wege, sie zu miniaturisieren, und fertigen diese Komponenten dann in einer Werkstatt mit modernster Ausrüstung, darunter zahlreiche 3D-Drucker sowie computergesteuerte Dreh- und Fräsmaschinen. Anschließend werden diese Teile in Reinräumen zu den klinischen Endgeräten zusammengebaut. Schließlich testen wir diese Geräte hier am Mass General Hospital an Patienten. Diese Pipeline ist für unsere Laborarbeit hervorragend. Sie bietet den Vorteil, dass wir aus der Anwendung am Patienten lernen, diese Erkenntnisse zurück in den Entwicklungsprozess einfließen lassen und so einen kontinuierlichen Kreislauf schaffen.

Wir nutzen BioRender sehr intensiv und sind von dem Programm wirklich begeistert. Diese Folie zeigt, warum BioRender für uns so nützlich ist. Erstens bietet es eine einfache Benutzeroberfläche, um schnell professionelle konzeptionelle Abbildungen zu erstellen. Es ermöglicht uns, wissenschaftliche Inhalte mit minimalem Text zu kommunizieren. Es ist für ein breites Publikum leicht zugänglich, reduziert fachspezifischen Jargon und macht es einfach, eigene Bilder und Daten einzubinden. Wir sind von diesem Tool absolut überzeugt. Es passt perfekt zu unserer Art der Visualisierung. Wir sind ein sehr visuell orientiertes Team und arbeiten viel mit Bildern. Dies ist ein Beispiel aus einer Publikation, in der wir BioRender verwendet haben: Wir zeigen eine unserer Mikro-OCT-Sonden, wie sie durch das sogenannte runde Fenster in das Innenohr eingeführt wird, um die Cochlea und das Corti-Organ sichtbar zu machen. Es war für uns eine sehr effektive Methode, Vorlagen zu nutzen und diese so anzupassen, dass wir unser Konzept einfach darstellen konnten. Es hilft auch beim Schreiben von Förderanträgen. Wir haben BioRender-Vorlagen in vielen, vielen Anträgen verwendet, um unsere Endoskope im Körperinneren zu zeigen und Prozesse in einer einzigen Abbildung präzise zu beschreiben. Förderanträge zu schreiben ist schwierig. Es ist nicht wie bei einer Präsentation oder einem Film, wo man einen Prozess zeigen kann. Aber die Visualisierungstools von BioRender und das Layout ermöglichen es uns, Prozesse wirklich darzustellen. In diesem Fall zeigen wir, wie man eine neue Technologie entwickelt und sie mit unseren bildgebenden Verfahren nutzt, um das Innere der Lunge sichtbar zu machen. Damit möchte ich allen danken, die in meinem Labor arbeiten, meinen Kooperationspartnern und all unseren Geldgebern, die diese Arbeit finanziert haben. Dies ist ein aktuelles Zoom-Foto unseres Labors. Vielen Dank fürs Zuhören. Hier sind meine Kontaktdaten, falls Sie nachfassen oder weitere Informationen erhalten möchten. Ich stehe jetzt gerne für Fragen zur Verfügung.