Serial-Block-Face-Rasterelektronenmikroskop
Medicine
Final Report Abstract
Dr. Jan Hegermann/Dr. Christoph Wrede (MHH): Um die Anwendung der SBF-SEM in verschiedenen Projekten zu ermöglichen, wurden durch die Zentrale Forschungseinrichtung der MHH verschiedene Einbettungsprotokolle getestet, jeweils am Gerät abgebildet und auf Kontrast und Schneideeigenschaften untersucht. Diese zeitaufwendigen Grundlagenarbeiten führten zu optimierten Standards, die in den folgenden Projekten Anwendung fanden. Prof. Dr. Matthias Ochs/Dr. Jan Philipp Schneider (MHH): Mit Hilfe des SBF-SEM wurden Daten zur 3D- Rekonstruktion des Alveolarepithels der humanen Lunge generiert (Generierungszeit 23 Tage). Durch manuelle 3D-Rekonstruktion einzelner Alveolarepithelzellen vom Typ 1 (AE1) konnte die morphologische Vielfältigkeit und die Fähigkeit der AE1-Zellen gezeigt werden, Zellkontakte mit sich selbst über Zellfortsätze einzugehen und das ganze Interalveolarseptum mit dem Zellkörper zu durchspannen. Auf Basis dieser Untersuchungen werden derzeit Analysen der 3D Morphologie der AE1-Zellen während der Entwicklung und in Krankheitsmodellen der Lunge durchgeführt. Prof. Dr. Christian Mühlfeld (MHH): Im Zentrum der Untersuchungen standen 3D-Darstellungen und Analysen des alveolären Kapillarnetzes der Lunge. Zunächst wurden die mikroskopischen und digitalen Voraussetzungen geschaffen, um so gewonnene Daten effizient analysieren zu können (Mühlfeld et al. 2018). Des Weiteren wurden Proben neonataler und adulter Mauslungen gewonnen, um die postnatale Entwicklung vom doppelten zum einfachen Kapillarnetz der Alveole zu analysieren. Diese Untersuchungen dauern gegenwärtig noch an und sind Teil einer medizinischen Doktorarbeit. Die Ergebnisse dieser Arbeit sollen Grundlage für pathogenetische Untersuchungen bei bronchopulmonaler Dysplasie sein. Prof. Dr. Lars Knudsen (MHH): Gegenstand der Anwendung des SBF-SEM war die Pathogenese der Lungenfibrose. Eine der aktuellen Hypothesen stellt die Sequenz aus Epithelschädigung, Kollaps der Lungenalveolen und das „Verkleben“ der sich nun berührenden Basallaminae mit anschließender Fibrosierung dar. Um dies sicher nachweisen zu können, müssen die Basallaminae einzelner Fibroseherde komplett segmentiert und in einem 3D-Modell analysiert werden. Diese Untersuchungen befinden sich um Stadium der Segmentierung und 3D-Rekonstruktion. Prof. Dr. Christiane Pfarrer (Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover): Im Rahmen der Arbeiten zur eingeschränkten Trophoblastinvasion der Rindes wurden und werden mit dem SBF-REM 3D Datensätze produziert, die eine genaue Charakterisierung der Differenzierung, Migration und Fusion der Trophoblastriesenzellen mit uterinen Epithelzellen in der Rinderplazenta ermöglichen. Diese Datensätze sollen zukünftig mit denen pathologischer Trächtigkeiten verglichen werden. Es waren umfangreiche, sehr zeitaufwendige Versuche zur Etablierung der Einbettungsverfahren notwendig, bevor mit der Generierung der Z-Stapel begonnen werden konnte. Prof. Dr. Ralph Brehm (Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover): Mit Hilfe des SBF-SEM wurden Datensätze zur 3D-Rekonstruktion des Keimepithels des murinen Hodens generiert. Hierbei wurden, nach Etablierung der Methode an Rattenhoden, die Hoden von adulten Wildtyp-Mäusen mit denen von transgenen Wurfgeschwistern verglichen, denen in den somatischen Sertoli-Zellen das Gen für Connexin43 fehlt. Diese erwachsenen Tiere sind infertil und zeigen deutliche strukturelle Veränderungen im Keimepithel, die nun im 3D-Modell genauer charakterisiert werden. Ein Manuskript ist in Vorbereitung. Untersuchungen mit humanem Hodengewebe (Biopsien) mit normaler und gestörter Spermatogenese sind geplant. Prof. Dr. Mario Schiffer (Universitätsklinikum Erlangen, zuvor MHH): Es wurden 3D-Datensätze vom Pronephros der Zebrafischlarve aufgenommen. Hier konnten gezielt hervorgerufene strukturelle Veränderungen im 3D-Modell näher charakterisiert werden, welche zuvor in 2D mittels klassischer TEM nur unzureichend beurteilbar waren. Prof. Dr. Mikael Simons (Technische Universität München, zuvor Uni Göttingen): Um die Plastizität der neuronalen Myelinscheiden während der Entwicklung zu untersuchen, wurden hochauflösende 3D- Datensätze mit SBF-SEM erzeugt und analysiert. Es zeigte sich, dass Zellen der Mikroglia degenerierte Myelinbruchstücke aufnehmen und somit dazu beitragen, die sich formenden Myelinabschnitte zu glätten. Dieser Effekt schwächt sich nach der Entwicklung ab. Prof. Dr. Nikola-Michael Prpic-Schäper (Universität Gießen, zuvor Uni Göttingen): Der Verlauf von Nervenbahnen und Innervation von Skleriten im Bulbus der Spinne Parasteatoda tepidariorum konnte im 3D-Modell veranschaulicht werden, was zu neuem Verständnis der Homologisierung und evolutionärer Zusammenhänge führt.
Publications
- (2019) On the Topological Complexity of Human Alveolar Epithelial Type 1 Cells. American journal of respiratory and critical care medicine 199 (9) 1153–1156
Schneider, Jan Philipp; Wrede, Christoph; Hegermann, Jan; Weibel, Ewald R.; Mühlfeld, Christian; Ochs, Matthias
(See online at https://doi.org/10.1164/rccm.201810-1866le) - (2019) Surfactant dysfunction and alveolar collapse are linked with fibrotic septal wall remodeling in the TGF-β1-induced mouse model of pulmonary fibrosis. Laboratory investigation; a journal of technical methods and pathology 99 (6) 830–852
Beike, Lukas; Wrede, Christoph; Hegermann, Jan; Lopez-Rodriguez, Elena; Kloth, Christina; Gauldie, Jack; Kolb, Martin; Maus, Ulrich A.; Ochs, Matthias; Knudsen, Lars
(See online at https://doi.org/10.1038/s41374-019-0189-x) - (2016). Using electron microscopes to look into the lung. Histochem Cell Biol. 146: 695-707
Ochs M, Knudsen L, Hegermann J, Wrede C, Grothausmann R, Mühlfeld C
(See online at https://doi.org/10.1007/s00418-016-1502-z) - (2018). Recent developments in 3-D reconstruction and stereology to study the pulmonary vasculature. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 315: L173-L183
Mühlfeld C, Wrede C, Knudsen L, Buchacker T, Ochs M, Grothausmann R
(See online at https://doi.org/10.1152/ajplung.00541.2017)
