Ein multiskalares-multiparametrisches, metabolisch-mechanisches Modell (M5) zur Identifizierung von strukturell-funktionellen Veränderungen der Leber mittels quantitativer MRT und MR Elastographie

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Nikolaus Berndt; Privatdozent Dr. Rolf Otto Reiter; Professor Dr.-Ing. Tim Ricken; Professor Dr. Ingolf Sack
• Fachliche Zuordnung: Radiologie ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Biochemie ; Gastroenterologie ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 540759292

Hintergrund: Die Frühdiagnose von Lebererkrankungen stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar, da klinische Symptome oft erst auftreten, wenn die Stoffwechselstörung und die strukturelle Schädigung der Leber ein fortgeschrittenes Stadium erreicht haben. In der klinischen Praxis werden verschiedene Techniken zur Diagnose von Leberkrankheiten eingesetzt: bildgebende Verfahren, um morphologische Veränderungen im Lebergewebe zu erkennen und zu charakterisieren, und Plasmamarker, die einen beschleunigten Zelltod und eine Verschlechterung der zentralen Stoffwechselfunktionen der Leber anzeigen können. Leberbiopsien und histologische Untersuchungen sind nach wie vor der Goldstandard und bisher war es praktisch unmöglich, die mit diesen beiden invasiven Techniken gewonnenen makroskopischen Daten in strukturelle und metabolische Veränderungen auf Zell- und Gewebeebene zu übertragen. Ziel: In diesem Projekt soll ein multiskalen-multiparametrisches metabolisch-mechanisches Modell (M5) der Leber entwickelt werden, welches ermöglicht, patientenspezifische Profile von Plasmamarkern und Bildgebungsdaten aus quantitativer Magnetresonanztomographie (qMRT) und Elastographie (MRE) mit Störungen des Zellstoffwechsels und der Mikroarchitektur in Beziehung zu setzen. Wir wollen untersuchen, wie sich mikrostrukturelle und metabolische Veränderungen in Veränderungen nicht-invasiver klinischer Daten niederschlagen. Darauf basierend soll die individuelle metabolische Reservekapazität von Lebern abgeschätzt und Kliniker bei der Wahl optimaler Therapien unterstützt werden. Methoden: Wir beschreiben die gesamte Leber als ein Ensemble von Leberläppchen, die durch homogenisierte poröse Kontinuumsmodelle dargestellt werden. Ein einzelnes Läppchen besteht aus sinusförmigen Gewebeeinheiten, die aus stoffwechselaktiven Hepatozyten, extrazellulärem Gewebe und Kapillaren bestehen. Mathematisch gesehen führt die Kopplung dynamischer Prozesse auf verschiedenen räumlichen Skalen zu einem großen, numerisch anspruchsvollen System von partiellen und gewöhnlichen Differentialgleichungen, welche die biomechanischen bzw. metabolischen Veränderungen beschreiben. Zur Parametrisierung des Modells werden wir Proteomik- und histologische Daten aus einem Mausmodell der nichtalkoholischen Steatohepatitis (NASH) mit definierten Krankheitsaktivitätswerten verwenden. Die Verfeinerung und Validierung des Modells erfolgt durch den Vergleich numerischer Modellsimulationen mit qMRT/MRE-Parametern und metabolischen Plasmaprofilen gesunder Probanden, die gezielten Veränderungen der biophysikalischen Lebereigenschaften, sowie von Patienten mit bioptisch nachgewiesener NASH unterschiedlichen Grades. Durch die Verknüpfung von Mikrostruktur und Stoffwechsel mit biomechanischen und biophysikalischen In-vivo-Bildgebungsdaten wird M5 erstmals eine Brücke zwischen der Zell-, Gewebe- und Organebene schlagen und die Diagnose diffuser Lebererkrankungen und die Vorhersage der Leberreservekapazität erleichtern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen