Perfekte Lösung für den diagnostischen Alltag in der Krankenversorgung und der klinischen Forschung am Institut für Neuropathologie der Charité in Berlin
- Prof. Dr. Frank Heppner
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Direktor am Institut für Neuropathologie
Charité - Universitätsmedizin BerlinProfessor Frank Heppner leitet seit 2007 das Institut für Neuropathologie an der Charité in Berlin. Mit ca. 55 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern ist es das größte neuropathologische Institut Deutschlands, an dem pro Jahr ca. 17.000 Patientenproben befundet werden. Die angegliederte Forschungsabteilung arbeitet medizinisch orientiert in den Bereichen der neuromuskulären Forschung, Autoimmunerkrankungen, Neuroonkologie, Hirntumoren und Lymphomen, kindliche Hirntumoren und an neurodegenerativen Erkrankungen.
Zusätzlich wird am Institut seit dem Frühjahr 2020 an den Auswirkungen einer SARS-CoV-2-Infektion im zentralen Nervensystem (ZNS) geforscht. Erste Ergebnisse zu Untersuchungen, auf welchem Weg das Virus ins Gehirn gelangen kann, sind im November in Nature Neuroscience [1] veröffentlicht worden.
- Logistische Herausforderungen müssen unkompliziert behoben werden
- Heterogener Nutzerkreis – hohe Erwartungen
- Der ideale Standort
- Vielfältige Präparate – multiple Anforderungen
Logistische Herausforderungen müssen unkompliziert behoben werden
Die Berliner Charité ist eine der größten Universitätskliniken Europas und zählt zu den forschungsintensivsten Einrichtungen in Deutschland. Die Charité lebt das Prinzip der Core-Facility, sodass Großgeräte und teure, hochsensible Messapparate in zentralen Einrichtungen konsolidiert werden, um zur nachhaltigen Nutzung dieser Geräte beizutragen. Dadurch verfügt nicht jedes Universitätsinstitut über eine vollständige Ausstattung.
Die Forschungsabteilung und das Routinelabor des neuropathologischen Instituts sind auf dem Campus Charité Mitte in zwei unterschiedlichen Gebäuden untergebracht. In der Forschung steht den Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen ein altes Fluoreszenzmikroskop zur Verfügung, das den Anforderungen an aussagekräftigen Aufnahmen jedoch oft nicht genügt. Deshalb müssen die Forschenden nach vorherigen Terminabsprachen auf ein externes konfokales Laserscanning-Mikroskop ausweichen.
In der Routine-Krankenversorgung gab es bisher kein Fluoreszenzmikroskop, mit dem diagnostisch gearbeitet werden konnte. Auch hier buchten die Mitarbeitenden bei Bedarf externe Termine. Die Anschaffung eines Fluoreszenzmikroskops für sein Institut konnte Frank Heppner damit gut begründen und endlich eine Lücke schließen, die bisher nur mit zeitlichem und gut geplantem Aufwand überbrückt werden konnte.
Heterogener Nutzerkreis – hohe Erwartungen
Die Anforderungen an ein neues Fluoreszenzmikroskop speziell für die Neuropathologie von Prof. Heppner waren so vielfältig wie die Fragestellungen, die jedes einzelne Präparat mit sich bringt. Von MTAs und Studierenden im Masterstudiengang, über Assistenzärzte und -ärztinnen bis zu den Forschenden sind viele Ansprüche an Auflösung, Eigenschaften, Standort und vor allem an die Benutzerfreundlichkeit zu vereinen. Die Liste der Kriterien ist lang.
Die wichtigsten Kriterien des Neuropathologischen Instituts, die ein neues Fluoreszenzmikroskop erfüllen sollte:
- es soll praktikabel, klein und handlich sein
- es muss kompatibel mit den Institutsrechnern sein
- es braucht eine integrierte Dunkelkammer, um standortunabhängig zu sein
- für bestimmte Präparate ist eine hohe Auflösung notwendig, die vergleichbar mit der eines konfokalen Laserscanning-Mikroskops ist
- die Fluoreszenzunschärfe muss beseitigt werden können
- eine integrierte Stitching-Funktion soll vorhanden sein, um mehrere Sichtfelder eines Präparates zusammenfügen zu können
- es muss einfach in den diagnostischen Workflow zu integrieren sein
- eine einfache und vollständige Dokumentation von Patientenproben muss möglich sein
- einfache Bedienung
Hätte Frank Heppner ein Fluoreszenzmikroskop für sein Institut entwerfen müssen, wären alle Features dabei, die das Fluoreszenzmikroskop BZ bietet, lässt er KEYENCE im Interview wissen. Mit dem Fluoreszenzmikroskop BZ lässt sich das Spektrum von einer schnellen Aussage des Gesamtbilds bis zum detaillierten Zoom in die Einzelzelle, vom Stitching bis zum optischen Sectioning, von der einfachen Bedienung bis zur Standortunabhängigkeit problemlos abdecken. Deshalb ist für ihn das Fluoreszenzmikroskop BZ wie maßgeschneidert und vereint mühelos die verschiedenen Anforderungen der neuropathologischen Forschung und Diagnostik.
Der ideale Standort
Da Forschung und Krankenversorgung über zwei Gebäude verteilt sind, fiel die Wahl des Standorts auf den Diskussionsmikroskopie-Raum in der Routinediagnostik. Die integrierte Dunkelkammer des Fluoreszenzmikroskop BZ ermöglicht die Aufstellung an jedem Ort, der eine hohe Experimenteffizienz bietet. Der Diskussionsmikroskopie-Raum ist allen Mitarbeitenden jederzeit zugänglich und technisch gut ausgestattet. Das Fluoreszenzmikroskop BZ ist dort mit einem netzwerkfähigen Institutsrechner und mit einem Präsentations-Monitor verbunden. Die Fluoreszenzaufnahmen können auf diese Weise zusätzlich zu den lichtmikroskopischen Präparaten direkt zur Diskussion und Befundung herangezogen werden. Vom ersten Tag an wurde das Fluoreszenzmikroskop mit Begeisterung genutzt und die ersten Aufnahmen schon in neue Manuskripte eingebunden, teilt uns Professor Heppner mit. Er führt es darauf zurück, dass das Fluoreszenzmikroskop BZ durch seine einfache Bedienung auch ungeübten Nutzern schnell gute und aussagekräftige Aufnahmen generiert.
Vielfältige Präparate – multiple Anforderungen
In dem großen Universitätsinstitut mit Routine-Diagnostik und sechs Forschungsgruppen müssen unterschiedliche Fragestellungen anhand der Fluoreszenzmikroskopie beantwortet werden. Die Vielfalt der Präparate reicht von humanen und murinen Gewebeschnitte vom Gehirn, von Hirntumoren, Liquorproben, über Gewebeschnitte vom ZNS und von Muskeln, bis zu Zellkulturen und Einzelzellen.
Herausforderungen in der Routinediagnostik
In Frank Heppners Diagnostiklabor werden zum Beispiel FFPE-Schnitte bei Verdacht auf verschiedene Muskelerkrankungen mit LOCs (lumineszierende konjugierte Oligothiophene) markiert, um Amyloidsubstanzen nachzuweisen. Diese lagern sich nicht nur wie bei der Alzheimer-Erkrankung im Gehirn ab, sondern auch in Muskeln und in den Nerven des ZNS außerhalb des Gehirns. Über die Fluoreszenzmessung wird die biochemische Konfiguration und Konformation ermittelt, die entscheidend für die Diagnosestellung ist. Ein weiteres Standardverfahren, das in der Routine angewendet wird, ist der fluoreszenzmikroskopische Nachweis von Immunglobulinen bei Autoimmunkrankheiten im Gehirn. Bisher mussten diese Untersuchungen auf Forschungsgeräten in anderen Gebäuden nach Terminvergabe durchgeführt werden.
Für die Routinediagnostik liegen mit der Anschaffung des Fluoreszenzmikroskops BZ von KEYENCE die Vorteile klar auf der Hand: das Fluoreszenzmikroskop BZ ist allen jederzeit im Diskussionsmikroskopie-Raum zugänglich und durch die vollelektronische Steuerung so einfach zu bedienen, dass keine komplizierte, zeitintensive Einarbeitung notwendig ist. Patientenproben können unmittelbar und vollständig analysiert und dokumentiert werden, ohne dass ein Scanner mit Fluoreszenzfunktion eingesetzt werden muss. Ein weiterer großer Vorteil ist, dass sich die Assistenten und Assistentinnen jetzt direkt vor Ort weiterbilden und sich dadurch ihre Zeit einfacher einteilen können.
Fließende Grenzen zwischen Forschung und Diagnostik
Die Multiplex-Fluoreszenz wird im neuropathologischen Institut hauptsächlich in der Forschung eingesetzt, findet seit kurzem jedoch auch vermehrt Anwendung in der Diagnostik. Die Kolokalisation von Zielstrukturen in verschiedenen Zellarten zeigt gerade in der aktuellen Corona-Forschung von Prof. Heppners Arbeitsgruppen einen Einblick über mögliche Verbreitungswege des SARS-CoV-2 von der Riechschleimhaut bis ins Gehirn. Die translationalen Ergebnisse des neuropathologischen Instituts zusammen mit über 20 weiteren beteiligten Arbeitsgruppen sind in Nature Neuroscience [1] Ende November 2020 veröffentlicht worden. Epifluoreszenzmikroskopisch wurden hierfür mittels MELC das Spikeprotein des SARS-CoV-2 an Nervenzellen nachgewiesen, die in der Riechschleimhaut liegen. Das Virus lässt sich entlang des Riechnervs bis in den Hirnstamm verfolgen. Die Multiplex-Fluoreszenz zeigt, dass das Virus – zumindest bis anhin - nicht in Nervenzellen nachzuweisen ist, was die Vermutung nahelegt, dass es auch über die kleinen Blutgefäße, die das ZNS durchziehen, ins Gehirn gelangen kann.
Aber auch wenn das Virus bis dato nicht im Gehirn nachzuweisen ist, zeigen einige COVID-19 Patienten und Patientinnen auch nach Abklingen der akuten Symptome späte postvirale neurologische Probleme (sog. Long-COVID). Diese sind vermutlich auf die Reaktion des Immunsystems auf SARS-CoV-2 z.B. im Sinne des so ausgelösten Cytokinsturms der Immunzellen im Gehirn zurückzuführen. Die Forschung zu Long-COVID steht noch am Anfang und die Rolle des ZNS nimmt darin einen wichtigen Platz ein.
Herausforderungen in der Forschung
Multiple Sklerose ist eine chronisch-entzündliche neurologische Autoimmunkrankheit. Die Arbeitsgruppe von Dr. Helena Radbruch am Institut für Neuropathologie befasst sich mit der Untersuchung von Überlebensnischen bestimmter Immunzellen im Gehirn bei dieser Erkrankung. Hierfür wird unter anderem eine Technik mit sequentiellen Färbungen in ein und demselben Schnitt angewendet sowie räumlich aufgelöste Transkriptomanalysen. Beides sind sehr zeit- und kostenaufwendige Analysen, und hierbei hilft das Fluoreszenzmikroskop BZ ressourcenschonend und sehr effizient bei der Etablierung von neuen Färbungen für diese Techniken. Anhand der schnellen Bildaufnahme und Sectioning-Funktion erfolgt vorab eine unkomplizierte Testung der Gewebeproben hinsichtlich einer Eignung für die weiteren Analysen und jeder Antikörper für die einzelnen Gehirnstrukturen wie Gliazellen, Nervenzellen, Gefäße, Hirnhäute und verschiedenen Immunzellsubtypen kann unabhängig validiert werden.
Für die Alzheimerforschung hat Frank Heppner in den letzten Jahren eine Biobank mit autoptischen Gehirnmaterial aufgebaut. Proben hieraus zeigen meistens eine hohe Autofluoreszenz, die durch die degenerativen Ablagerungen im Gehirn verursacht wird. Diese Problematik gehört zum Alltag der Forschungsgruppe, weil die an Alzheimer Erkrankten oft erst im hohen Alter versterben. Im Laufe eines Lebens und insbesondere bei degenerativen Erkrankungen des Gehirns können sich viele Stoffe ablagern, die eine hohe Autofluoreszenz verursachen. Gerade in diesen Fällen ist das Team von Professor Heppner dankbar, dass das Fluoreszenzmikroskop BZ die Fluoreszenzunschärfe herausrechnet und so einen klaren Einblick in zelluläre Einzelstrukturen wie den Autophagieapparat oder die Lysosomen ermöglicht.
Der Forschungs- und Routinealltag am Institut für Neuropathologie hat sich durch das Fluoreszenzmikroskop BZ deutlich vereinfacht, resümiert Frank Heppner. Fluoreszenzaufnahmen werden vom Mikroskop vollelektronisch und schnell generiert. Falls Probleme auftreten, können sie sogar vom KEYENCE-Service per Remote behoben werden. Während einer Besprechung muss der Raum nicht mehr umständlich verdunkelt werden, wenn Fluoreszenzaufnahmen zur Diskussion herangezogen werden. Die Auflösung ist qualitativ sehr gut und genügt den Ansprüchen des Instituts. Nur noch in Ausnahmefällen ist die hohe Auflösung eines konfokalen Laserscanning-Mikroskops notwendig. Die Stitching-Funktion findet viel Anwendung bei Patientenpräparaten und bei Schnitten von Hirnhälften aus dem Mausmodell, die zur Alzheimer-Grundlagenforschung eingesetzt werden. Und schließlich ist die Eliminierung der Fluoreszenzunschärfe ein großer Gewinn, weil ein Großteil der neurologischen Präparate eine hohe störende Autofluoreszenz aufweist. Das Fluoreszenzmikroskop BZ erfüllt alle Wünsche und Ansprüche des Instituts für Neuropathologie der Charité in Berlin.
[1] Meinhardt, J., Radke, J., Dittmayer, C. et al. Olfactory transmucosal SARS-CoV-2 invasion as a port of central nervous system entry in individuals with COVID-19. Nat Neurosci 24, 168–175 (2021). https://doi.org/10.1038/s41593-020-00758-5
