Non-linear optical microscopy in clinical translation : imaging of postinterventional endothelial regeneration - 2015-07-01

Wu, Zhuojun; Kießling, Fabian (Thesis advisor); Elling, Lothar (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2015)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Kurzfassung

Das Endothel spielt nicht nur eine wichtige Rolle im Verlauf von Arteriosklerose, sondern auch in anderen inflammatorischen Erkrankungen wie Vaskulitis. Endotheliale Aktivierung wird durch abnormale Scherspannung, lokale Entzündung sowie Chemokinausschüttung ausgelöst, gefolgt von der Hochregulierung von Zelladhäsionsmolekülen wie beispielsweise das intrazelluläre Adhäsionsmolekül 1, das vaskuläre Zelladhäsionsmolekül 1 und Selektine. Diese Zelladhäsionsmoleküle fördern die Migration von Immunzellen und sind für den Verlauf von Entzündungen verantwortlich. Diese Moleküle werden ebenfalls hochreguliert nach vaskulären Intervention wie z.B. Ballonangiographie mit Stent Implantation und Endoarteriektomie. Während der endothelialen Wundheilung ist ein Blutgefäß anfällig für Thrombusformation sowie Akkumulation von Immuzellen und Restenose. Erkrankungs- und verletzungsbedingte Biomarker werden auf der luminalen Oberfläche exprimiert und stellen ein potentielles Ziel für die Bildgebung und Diagnostik dar. Das Hauptziel dieser Studie war die Etablierung eines vaskulären Kontrastmittels, welches den physiologischen Fluss- und Scherraten in Hauptarterien widerstehen kann und dabei gleichzeitig spezifisch an molekulare Marker bindet. Klinische Bildgebungsmethoden haben nur unzureichende Sensibilität und Auflösung, um einzelne Partikel zu verfolgen. Daher wurde die Zwei-Photonen Mikroskopie als eine präklinische optische Bildgebungsmethode verwendet, welche tief ins Gewebe eindringen kann, um das Expressionsmuster von Oberflächenmarkern und das Bindungsverhalten von Mikrobläschen zu charakterisieren. Mikrobläschen (MB) sind mit Luft gefüllte und auf Polymer basierende Partikeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1-2 μm. Diese wurden, erstmals unter niedrigen Flussbedingungen, erfolgreich in der Tumor-Bildgebung etabliert, am Beispiel vom vaskulärem endothelialen Wachstumsfactor-Rezeptor (VEGFr). Die Beladung der Partikel mit Fluoreszenzfarbstoffen ermöglicht die bi-modale Detektion der Partikeln mit molekularem Ultraschall und Zwei-Photonen Mikroskopie. Mithilfe von Zwei-Photonen Mikroskopie wurde die Scherspannung-Resistenz von ICAM-1 spezifischen MB auf TNFα-stimulierten Karotiden in einer ex vivo Flusskammer charakterisiert. Nicht nur unter physiologischen Bedingungen, sondern auch bei weit höheren Scherraten sind gebundene MB zu beobachten. In dieser ersten proof-of-concept-Studie wurde die potentielle Anwendung von MB in entzündeten Hauptarterien gezeigt. Durch die vaskuläre Intervention wird das Endothel, welches die Dysfunktion der regulatorischen Mechanismen verursacht schwer beschädigt. Dies erhöht unter anderem das Risiko für Thrombose und Restenose. Die endotheliale Regeneration nach der Intervention ist ein lebenswichtiger Schritt für die volle Genesung von Patienten. Das vaskuläre Zelladhäsionsmolekül 1 wird nach endothelialer Verletzung auf den glatten Muskelzellen überexprimiert. Während der akuten Entzündungsphase wird dieser Marker sowohl auf regenerierenden Endothelzellen als auch auf den glatten Muskelzellen exprimiert. Mit einsetzender Bedeckung der glatten Muskelzellen durch Endothelzellen, verschwindet VCAM-1 von der endothelialen Oberfläche, was diesen Rezeptor zu einem perfekten Marker für die endotheliale Regeneration macht. Mithilfe von Zwei-Photonen Mikroskopie wurden einzelne MB im Lumen verfolgt, quantifiziert und eine spezifische Bindung festgestellt. Mithilfe von molekularem Ultraschall wurde die Bindung der MB an das verletzte Endothel ebenfalls detektiert. Datenanalyse haben ergeben dass Ultraschall zwischen verschiedene Phase der Endothelregeneration unterscheiden kann und damit eine akkurate Prognose des endothelialen Zustandes geben, welches in Korrelation mit Immunhistologie und 3D-Rekonstruktion der luminalen Oberfläche steht.

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