Essentielle Bildgebung für die Betrachtung der gesamten Wirbelsäule

Erforschung der Entstehungs-/Regenerationsmechanismen von Nervenzellen zur Behandlung von Rückenmarksverletzungen

Dr. Hideyuki Okano steht an der Spitze der wegweisenden Forschung zur Regeneration des zentralen Nervensystems. Mit zahlreichen Erfolgen auf diesem höchst anspruchsvollen Gebiet ist seine Forschung sehr weitreichend. Neben der Grundlagenforschung zu Entstehungs-/Regenerationsmechanismen von Nervenzellen, gilt sein Interesse in der angewandten Forschung der Entwicklung von regenerativen Behandlungsmethoden für Rückenmarksverletzungen durch die Verwendung von Stammzellen. Dr. Okano stellt die allgemein medizinische Auffassung in Frage, dass sich das zentrale Nervensystem eines Verletzten nicht regenerieren kann. Er setzt seine Forschungsarbeit mit dem Ziel fort, regenerative Behandlungsmethoden zu erreichen, die sich als sicher erweisen.

01. Innovative Forschung bei der Behandlung von Erkrankungen und Verletzungen des Nervensystems

In den letzten Jahren ist die Möglichkeit der regenerativen Medizin immer mehr zur Realität geworden. In den Nachrichten war immer häufiger die Rede von ES- und iPS-Zellen, was das Interesse der breiten Öffentlichkeit weckte. Die Regeneration der Haut wird in gewissem Umfang bereits in der Praxis genutzt und die Forschung zur künstlichen Herstellung von Blut schreitet voran.

Innerhalb der verschiedenen Wissenschaften der regenerativen Medizin ist der Bereich, der die meisten Erwartungen weckt, aber am schwierigsten zu erreichen ist, die regenerative Behandlung des zentralen Nervensystems, nämlich Gehirn und Rückenmark. Dies rührt von der in der Medizin allgemein verbreiteten Auffassung her, dass „das zentrale Nervensystem eines verletzten erwachsenen Säugetiers nicht regeneriert werden kann“.

Der Wissenschaftler, der dieses Vorurteil mit seinen bahnbrechenden Entdeckungen widerlegt hat, ist Dr. Hideyuki Okano, Medizinprofessor an der Keio-Universität. Dr. Okano schrieb Weltgeschichte, indem er als erster die Existenz neuraler Stammzellen in erwachsenen Gehirnen entdeckte und damit den Beweis für die Möglichkeit lieferte, diese Zellen bei der Regeneration des zentralen Nervensystems einzusetzen.

Nachdem Dr. Okano in den 1990er Jahren die unterschiedlichen Kontrollmechanismen neuraler Stammzellen mit Hilfe der Drosophila-Fliege erforscht hatte, setzte er seine Forschung fort, indem er die Kontrollmechanismen in der neuralen Entwicklung von Mäusen und dem gemeinen Seidenäffchen – ähnlich der Rangordnung von Primaten zu Menschen – untersuchte. Durch seine Forschung stellt sich Dr. Okano der Herausforderung, das Geheimnis der Entstehungsmechanismen von Nervenzellen zu entschlüsseln, welche im erwachsenen Gehirn vorhandene neurale Stammzellen, ES- und iPS-Zellen nutzen.

Neuronen und Gliazellen, aus denen das Nervensystem besteht, entstehen gemeinsam aus neuralen Stammzellen. Dr. Okano hat diesen Prozess nicht nur eingehend untersucht, sondern versucht durch die Erforschung der grundlegenden Mechanismen der Hirnzellbildung eine Verbindung zwischen diesen Erkenntnisse und der Behandlung von Verletzungen und Störungen des Nervensystems herzustellen. Der Verlauf dieser Forschung erregt weltweite Aufmerksamkeit.

02. Erkenntnisse über die Behandlung von Rückenmarksverletzungen, die einst als unheilbar galten

Ein zentrales Anliegen von Dr. Okanos Grundlagenforschung ist die Behandlung von Rückenmarksverletzungen. Schädigungen des Rückenmarks können durch einfache Ursachen, wie einen unfallbedingten Sturz oder durch eine Krankheit verursacht werden. Sobald das Rückenmark beschädigt ist, gibt es keine natürliche Regeneration mehr. Dies kann zum teilweisen oder vollständigen Verlust der motorischen oder sensorischen Fähigkeiten führen. Nach Angaben des Ministeriums für Gesundheit, Arbeit und Soziales erkranken allein in Japan jedes Jahr über 5.000 Menschen an Wirbelsäulenschäden, die durch beispielsweise Autounfälle verursacht werden. Insgesamt leiden über 100.000 Menschen an Lähmungen.

Auslöser für Dr. Okanos Interesse an der regenerativen Medizin des Nervensystems war die eigene Erfahrung, Zeuge zu werden, wie einer seiner ehemaligen Lehrer aufgrund einer Wirbelsäulenverletzung zum Schwerbehinderten wurde. Aus seinem Verantwortungsgefühl als Arzt heraus begann er, ein unbekanntes Forschungsgebiet zu hinterfragen, um einen Weg zu finden, seinen Lehrer zu heilen. Nachdem er die Möglichkeit einer regenerativen Behandlung des Zentralnervensystems veröffentlichte, erhielt er im Verlauf dieser Forschung viele Briefe von Patienten, die an Rückenmarksverletzungen litten. Diese Reaktion gab Dr. Okano erneut das Gefühl der enormen Tragweite und Bedeutung seiner Forschung.

Gegenwärtig hat die Forschung über die medizinischen Behandlungsmethoden von Wirbelsäulenschäden die ersten Schritte der Grundlagenforschung übertroffen und versucht nun, die nächste Entwicklungsstufe zu erreichen.
„Wir beabsichtigen mit der dauerhaften Heilung schwerer Wirbelsäulenschäden einen Bereich zu erfassen, der noch nie zuvor untersucht wurde. Aus diesem Grund versuchen wir, die durch die Grundlagenforschung gewonnenen Erkenntnisse klinisch umzusetzen. Wir werden alles daran setzen, dass die klinische Forschung mit neuralen Stammzellen, ES-Zellen oder iPS-Zellen in naher Zukunft Realität wird. Um eine hochsichere Behandlungsmethode zu erreichen, müssen wir unsere Grundlagenforschung genau durchführen und die Regenerationsmechanismen entschlüsseln.“ Diese Worte von Dr. Okano sind Ausdruck seiner wissenschaftlichen Zielsetzung.

04. Labor mit den weltweit bedeutendsten Forschern und modernster Ausrüstung

Gegenwärtig besteht das Labor von Dr. Okano aus 5 Forschungsgruppen und 2 unabhängigen Professorenstellen. Mit insgesamt 70 Mitarbeitern, darunter Forscher, Ingenieure und weiterem Personal kann dieses Labor als weltweit führend bezeichnet werden. Neben den Labors, in denen die gemeinen Seidenäffchen, Mäuse oder Drosophila-Fliegen untergebracht sind, steht diese Forschungseinrichtung an vorderster Stelle und ist mit den modernsten Betrachtungs- und Messgeräten ausgestattet, darunter konfokale Mikroskope und Zellsortierer.

Von den zahlreich verwendeten Mikroskopen ist das Fluoreszenzmikroskop der Modellreihe BZ von KEYENCE das Neueste, das in das Labor aufgenommen wurde. Unter den Laborforschern wurde dieses System während der Vorführung als sehr positiv beurteilt. Ein Anwendungsbeispiel für dieses Mikroskop ist die Betrachtung von Stammzellen im Zusammenhang mit Wirbelsäulenschäden. Dieses System ermöglicht die Betrachtung des gesamten Rückenmarks bei geringer Vergrößerung.

Darüber hinaus ermöglicht die Bildzusammensetzungsfunktion ein noch größeres Bildfeld, indem mehrere vergrößerte Bilder zu einem einzigen Breitfeldbild zusammengefügt werden. Dadurch wird der Zeitaufwand für die Forschung verringert, da in kurzer Zeit Breitfeldbilder mit gleichmäßiger Helligkeit erzeugt werden, indem mehrere Bilder automatisch zugeordnet werden.

Dr. Okano drückt die Ergebnisse der Einführung der Modellreihe BZ am Laborarbeitsplatz wie folgt aus: „Bislang war die Bilderfassung eine mühsame Aufgabe, die einen Großteil der wertvollen Zeit der Forscher in Anspruch nahm. Ein Experiment, das früher 2 Wochen dauerte, nimmt mit der Modellreihe BZ jetzt jedoch nur noch 3 Tage in Anspruch. Mit dieser Art der Effizienzsteigerung können wir dasselbe Experiment viele Male wiederholen und so den Probendurchsatz erhöhen. Auf diese Weise sind wir in der Lage, die Reproduzierbarkeit des Experiments zu bestätigen, die das wichtigste Kriterium für Genauigkeit darstellt. Dies ist ein besonders wichtiger Bestandteil der Grundlagenforschung und ein großer Vorteil für jeden Wissenschaftler bei der Suche nach der Wahrheit.“

Automatische Bildzusammensetzung mehrerer hoch vergrößerter Aufnahmen

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05. Fluoreszenzmikroskop BZ – Unverzichtbar bei der Betrachtung des Gesamtbilds des Rückenmarks

Obwohl das Mikroskop BZ gerade erst im Labor eingeführt wurde, wird es bereits von mehr als 20 Forschern genutzt. Denn die Benutzerfreundlichkeit der verschiedenen Funktionen steht in direktem Zusammenhang mit einer verbesserten Forschungseffizienz.

Dr. Okano bewertet die Modellreihe BZ wie folgt: „Schon allein durch Forschungsarbeiten auf einem unbekannten Gebiet wie diesem ist eine genaue Beweisführung von größter Wichtigkeit. Es kommt darauf an, ob die Ergebnisse zeigen, dass sich die Nervenzellen tatsächlich regenerieren, oder ob es sich um ein einmaliges Phänomen handelt. Aus diesem Grund ist es unerlässlich, dass wir zunächst das Mikroskop BZ verwenden, um das Gesamtbild der zu untersuchenden Objekte wie dem Rückenmark zu bestätigen.“

In einem der weltweit führenden Laboratorien ist der Einsatz einer großen Anzahl hochmoderner Betrachtungsgeräte nicht überraschend. Unter all diesen Geräten, so Dr. Okano, sei die „das Fluoreszenzmikroskop BZ unverzichtbar“. „Es gibt zahlreiche Mikroskope für hochvergrößernde oder hochauflösende Anwendungen von verschiedenen Herstellern. Man kam jedoch zu dem Schluss, dass es in Situationen, in denen die gesamte Zelle beobachtet werden musste, nur das Mikroskop BZ in Frage kam.“

Bei der Kaufentscheidung musste die allgemeine Einsatzflexibilität des Geräts innerhalb des Labors berücksichtigt werden. „Die Entscheidung für den Kauf des Mikroskops BZ wurde dahingehend getroffen, dass das Fluoreszenzmikroskop allen Forschungsmitarbeitern zur Verfügung steht und nicht auf eine einzige Anwendungsmöglichkeit beschränkt ist.“

Im Hinblick auf die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten wurde auch die Einfachheit berücksichtigt, mit der jede Person das Gerät benutzen kann. Unter diesem Gesichtspunkt unterscheidet sich das Mikroskop BZ von konfokalen Mikroskopen dadurch, dass für die Nutzung des Systems weder ein hohes Maß an Geschicklichkeit noch ein Spezialist erforderlich ist. Selbst ein unerfahrener Benutzer kann sich schnell mit der Bedienung des Mikroskops vertraut machen, was die Forschung noch attraktiver macht.

Neben der verbesserten Forschungseffizienz weist Dr. Okano auch auf ein weiteres Schlüsselmerkmal hin: die Bildqualität. „Ein sauberes und klares vergrößertes Bild kann den Unterschied ausmachen, ob eine These ihre Prüfung besteht oder nicht“, sagt er. Aus dieser Perspektive heraus lässt das Fluoreszenzmikroskop BZ keine Wünsche offen.

Einfache Einrichtung und leichte Bedienung für herausragende Forschungsergebnisse

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06. Einzigartige Funktionen zur Verbesserung der Forschungseffizienz

Wir fragten einen Forscher, der mit dem Mikroskop BZ im Labor arbeitet. Dr. Takehiko Sunabori untersucht derzeit die Differenzierungsmechanismen neuraler Stammzellen der Großhirnrinde. Er entnimmt eine Probe, indem er einen Querschnitt durch die Großhirnrinde eines gemeinen Seidenäffchens schneidet. Anschließend verwendet er das Mikroskop BZ, um den Prozess der Neuronenproduktion aus neuronalen Stammzellen im Zeitverlauf zu erfassen.

Bei der Probenbetrachtung verwendet Dr. Sunabori das Fluoreszenzmikroskop BZ zusammen mit einem konfokalen Mikroskop und erklärt, dass „das Mikroskop BZ sehr hilfreich ist, um die gesamte Probe bei geringer Vergrößerung zu betrachten oder den Fokus eines unscharfen Bildes zu korrigieren.“ Er führt weiter aus, dass er gelegentlich die Bildzusammensetzungsfunktion verwendet, die beim Zusammensetzen vergrößerter Bilder etwaige Kacheleffekte oder Helligkeitsunterschiede korrigiert.

„Bisher haben wir einzelne Aufnahmen manuell zusammengesetzt. Dies nimmt viel Zeit in Anspruch, und es gab immer ungleichmäßige Kontraste, was zu einer schlechten Bildqualität führte. Diese Aufgabe wird nun automatisch vom Mikroskop BZ übernommen. Während es früher mehrere Stunden dauern konnte, eine Serie von sechs Aufnahmen der Großhirnrinde zu korrigieren und zu kombinieren, nimmt dies jetzt nur noch wenige Minuten in Anspruch. Ich bin äußerst zufrieden, qualitativ hochwertige Bilder zu erhalten.“

Laut Dr. Sunabori befinden wir uns in den letzten Jahren in einem „Zeitalter, in dem gute Qualität als selbstverständlich vorausgesetzt wird“, insbesondere wenn im Rahmen einer Dissertation auf veröffentlichte Aufnahmen Bezug genommen wird. Dr. Sunabori sagt, dass er selbst beim Fotografieren immer sorgfältig auf die Bildqualität achtet.

Bilderfassung, Komposition und Korrektur sind erstaunlich einfach durchzuführen

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07. Sofortige Betrachtung unmittelbar nach dem Einschalten

Die Funktion, die Dr. Sunabori bei der Betrachtung des Gesamtbildes einer Probe sehr schätzt, ist die schnelle Vollfokussierung. Die Fokusposition des Objektivs wird elektrisch entlang der Z-Achse bewegt, und die Bilder werden an verschiedenen Fokuspunkten der Probe aufgenommen, wodurch ein Bild mit hoher Tiefenschärfe entsteht. In Bereichen mit unterschiedlicher Tiefenschärfe, wie z. B. bei den Axonen des Zentralnervensystems, entfällt mit dieser Funktion die aufwändige Fokuseinstellung.

Auch die dynamische Zellzählfunktion ist hilfreich, um die Anzahl der Zellen in einer Probe zu zählen. Dank seiner einzigartigen Extraktionsmethode, einzelne Zellen aufgrund der Helligkeitsänderung zu trennen, anstatt der Konturenextraktion durch Binärverarbeitung, können auch nicht-zirkuläre, stark adhärente Zellen unterschieden und gezählt werden. Dies wird als Verbesserung der Genauigkeit der Zellzählung angesehen.

Neben den für die Forschung hilfreichen Funktionen wird auch die schnelle Inbetriebnahme nach dem Einschalten unter Forschern hoch geschätzt. „Obwohl konventionelle Fluoreszenzmikroskope einen gewissen Zeit- und Arbeitsaufwand erfordern, um optimale Einstellungen vorzunehmen, ermöglicht die Modellreihe BZ jederzeit eine sofortige Betrachtung. Diese Benutzerfreundlichkeit wird auch von Hochschulabsolventen geschätzt, die die Modellreihe BZ häufig verwenden.“

Die Forschungseinrichtung von Dr. Okano steht weltweit an der Spitze der Forschung im Bereich der regenerativen Behandlung des Nervensystems. Um die Führungsposition aufrechtzuerhalten, muss sich diese Forschungseinrichtung jedoch im harten internationalen Wettbewerb behaupten. Da die Forschung ständig voranschreitet, besteht eine der größten Herausforderungen darin, die Betrachtungseffizienz von Versuchsproben zu erhöhen. Die Modellreihe BZ unterstützt dabei mit ihren vorteilhaften Funktionen und ihrer Benutzerfreundlichkeit die innovativen Forschungsarbeiten des Okano-Forschungsinstituts maßgeblich.

(Stand: Juli 2008)

Außergewöhnliche Benutzerfreundlichkeit bei starker Leistung

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Update: Spätere Errungenschaften von Dr. Hideyuki Okano

Weltweit erste erfolgreiche Behandlung von Wirbelsäulenschäden bei Mäusen mit menschlichen iPS-Zellen

Die regenerative Behandlung von Wirbelsäulenschäden, mit der sich Dr. Hideyuki Okano beschäftigt, hat ein neues Stadium erreicht. Laut seiner öffentlichen Bekanntgabe auf dem 5. Symposium für fortgeschrittene Wissenschaft und Technologie der Universität Keio, das am 4. Februar 2009 stattfand, ist es ihm weltweit zum ersten Mal gelungen, Wirbelsäulenschäden bei Mäusen mit menschlichen iPS-Zellen zu heilen.

In diesem Experiment wurden aus menschlichen iPS-Zellen gezüchtete neurale Stammzellen in Mäuse mit geschädigtem Rückenmark transplantiert. Infolgedessen zeigten die meisten der 29 transplantierten Mäuse im Vergleich zur nicht transplantierten Gruppe eine signifikante Erholung der motorischen Funktionen insoweit, dass die Koordination zwischen den Vorder- und Hinterbeinen möglich wurde, wobei die Mäuse das Gewicht auf ihre Hinterbeine verlagerten.

Da die Nervenzellen der Maus ähnlich aufgebaut sind wie die des Menschen, kann der Erfolg dieses Experiments als großer Fortschritt zur Anwendung beim Menschen bezeichnet werden. Gegenwärtig bestehen bei der Behandlung mit iPS-Zellen Bedenken hinsichtlich möglicher Nebenwirkungen von Tumorbildungen. Unter dem Gesichtspunkt der Behandlungssicherheit beabsichtigt Dr. Okano daher, den Fortschritt dieses Experiments weiterhin aufmerksam zu verfolgen.

Allgemeines: Neurale Stammzellen

Neurale Stammzellen sind Stammzellen, welche Neuronen und Gliazellen produzieren, aus denen das Nervensystem besteht. Bisher galt im medizinischen Bereich die allgemeine Auffassung, dass erwachsene Säugetiergehirne keine Nervenzellen produzieren. Nach Dr. Okanos Forschungen ist jedoch bewiesen, dass es im Gehirn neurale Stammzellen gibt. Diese Erkenntnis hat zu einem Durchbruch auf dem Weg zu regenerativen Behandlungen des Zentralnervensystems geführt.

Allgemeines: iPS-Zellen

iPS steht für „induzierte pluripotente Stammzellen“. Dabei handelt es sich um pluripotente Stammzellen, die aus somatischen Zellen erzeugt werden. Theoretisch kann jede Zellzusammensetzung im Körper aus iPS-Zellen erzeugt werden. Die Forschung befindet sich jedoch noch in einem sehr frühen Stadium, und viele Fragen – einschließlich der Frage der tumorauslösenden Zelltransformation während der Differenzierung – sind noch unbeantwortet.

Über Dr. Hideyuki Okano

Dr. Hideyuki Okano wurde 1959 geboren. Im Jahr 1983 schloss er sein Studium an der Medizinischen Fakultät der Universität Keio ab. Er begann seine Laufbahn als Assistent der Abteilung für Physiologie an der Medizinischen Fakultät Universität Keio, und wurde später Assistent am Institut für Proteinforschung der Universität Osaka, Assistent des Chemischen Labors am Institut für Medizinische Wissenschaften der Universität Tokio, Professor für Molekulare Neurobiologie am Institut für Medizinische Grundlagenwissenschaften der Universität Tsukuba und Professor der Forschungsabteilung für Anatomie der Neuralfunktionen an der Medizinischen Fakultät der Universität Osaka. Im Jahr 2001 begann er dann seine derzeitige Tätigkeit an der Universität Keio. Seit 2007 ist er Vorsitzender der Medizinischen Fakultät der Universität Keio. Zu seinen Hauptforschungsgebieten gehören: molekulare Neurobiologie, Entwicklungsbiologie und regenerative Medizin. Im Laufe der Jahre wurden ihm zahlreiche Auszeichnungen verliehen, darunter der „Medical Award of The Japan Medical Association“, der „Distinguished Scientists Award“, die „Commendation by the Minister of Education, Culture, Sports, Science and Technology (Preise für Wissenschaft und Technologie)“, der „Stem Cells Lead Reviewer Award“, der „Inoue Prize for Science“ und die „Medal of Honor with Purple Ribbon“. Er ist auch Vorstandsmitglied der Internationalen Gesellschaft für Stammzellenforschung.