ZIELGERICHTET UND EFFEKTIV
DIE FÖRDERPROJEKTE DER JÖRG BERNARDS-STIFTUNG
Im Mittelpunkt der Projektförderungen der Jörg Bernardsstiftung steht die Weiterentwicklung und Anwendung der stereotaktischen Neurochirurgie. Weitere Stiftungsprojekte werden durch Beschlussfassung des Stiftungsvorstands und mit Unterstützung wissenschaftlicher Berater in die Förderung einbezogen. Ziel ist eine effektive Förderung von wenigen, ausgesuchten Forschungsprojekten, die einen hohen medizinischen Wirkungsgrad mit schonenden Therapien und nachhaltigen Heilungschancen versprechen.
PROJEKTÜBERSICHT
PROJEKT SEIT 2017
PROJEKT SEIT 2015
PROJEKT SEIT 2014
PROJEKT SEIT 2012
PROJEKT SEIT 2017
MIT MIKROBUBBLES
GEGEN KREBSZELLEN
Untersuchung der biologischen Effekte von neuen Wirkstoff-Kandidaten mit Hilfe eines "Real-time Cell Analysis System"
Um die Wirkung der Mikrobubbles auf Krebszellen mit und ohne Wirkstoff-Beladung sowie Einwirkung von Ultraschall untersuchen zu können ist eine Vielzahl von Arbeitsschritten notwendig. Mit Hilfe eines kürzlich beschafften xCELLigence Real-time Cell Analysis-Systems der Firma Acea Biosciences konnten diese Schritte erheblich vereinfacht werden und erlauben es nun, das Zellwachstum auch in Echtzeit zu verfolgen.

Lokale Ultraschall-vermittelte Cytostatika-Applikation zur Behandlung von Hirntumoren, Zwischenbericht für den Zeitraum 01.11.2014 bis 31.10.2015
Ziel des vorliegenden Projektes ist es die Wirksamkeit und Selektivität der Chemotherapie von Tumorerkrankungen, insbesondere von Hirntumoren, zu verbessern indem Zytostatika in Microbubbles eingekapselt werden die lokal durch fokussierten Ultraschall zum Platzen gebracht werden so daß der Wirkstoff nur im Tumorgewebe freigesetzt wird während eine systemische Aktivität unterbunden ist.
Auf der Basis dieser Daten soll dann in weiteren Projektschritten, für die aktuell eine DFG-Sachbeihilfe beantragt ist, zunächst das toxikologische Profil der Microbubbles mit und ohne Beladung sowie der nach Ultraschall-vermittelter Ruptur verbleibenden Bubble-Bausteine untersucht werden. Ein besonderes Augenmerk soll dabei vor allem der Immunokompatibilität dieser mikroskaligen Systeme gelten. Darauf aufbauend sind dann erste in vivo-Studien geplant. Neben einer Demonstration der Wirkstoff-Freisetzung durchUItraschall im lebenden Modellorganismus ist es hier insbesondere auch das Ziel,Bildgebungsmethoden zur in vivo-Visualisierung und zum Tracking der Microbubbles undihrer Bestandteile zu etablieren.
4.1 Herstellung und Charakterisierung der Microbubbles
Prozess im Bezug auf Größenverteilung und Langzeitstabilität optimiert wurde. Als kritisch stellte sich dabei interessanterweise insbesondere die initiale Filmherstellung heraus. Durch Anfärbung der Bubbles mit 1,1′-Dioctadecyl-3,3,3,3′-tetramethylindocarbocyanin-Perchlorat (DiIC18) konnten sehr gute Ergebnisse bei der Analyse mittels Fluoreszenzmikroskpie erzielt werden, die im Tumorbiologie-Labor der Neurochirurgischen Klinik und Poliklinik des Universitätsklinikums Würzburg (PD Dr. Carsten Hagemann) durchgeführt werden und gegenüber einfachen lichtmikroskopischen Untersuchungen ein deutlich verbessertes Bild ergeben. In Abb. 2 ist eine solche repräsentative Aufnahme gezeigt aus der vor allem die enge Größenverteilung hervorgeht.
Tests mit zwei Platinverbindungen, dem etablierten Antitumor-Wirkstoffs Cisplatin (cis-PtCl2(NH3)2) und dem bekanntermaßen inaktiven Kaliumtetrachloroplatinat (K2[PtCl4]) ergaben die erwarteten Ergebnisse und zeigen die Funktionsfähigkeit des Assays an. In einem zweiten Schritt wurden dann die Lipidbausteine der Microbubbles getestet um, obwohl erwartet, deren Unbedenklichkeit auch experimentell zu verifizieren. Im Labor von Prof. Schatzschneider arbeitet Frau Mawamba zur Zeit an der Herstellung neuer Platin-basierter Wirkstoffkandidaten mit langen, hydrophoben Alkylketten die eine Integration in die Bubble-Membran ermöglichen sollen. Erste Verbindungen stehen mittlerweile für die biologischen Tests bereit.
Bis zum Jahresende soll nun ein Verfahren zur Beladung der Microbubbles mit dem organischen Wirkstoff Temozolomid etabliert werden, was insbesondere die Entwicklung einer Method zur HPLC(high-pressure liquid chromatography)-Bestimmung dieser Substanz in der Bubble-Phase und der überstehenden Lösung erfordert, während die Anlagerung Metall-basierten Wirkstoffkandidaten direkt über Messung des Platingehalts mittels ICP-MS oder AAS verfolgt werden soll.
Wesentliches Hindernis für den weiteren Projektfortschritt ist aktuell jedoch des Fehlen eines Ultraschall-Transducers mit Kosten in Höhe von ca. € 33.500,- (Angebot des Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT in St. Ingbert, Preis inkl. MwSt.). Die Mittel für dieses essentielle Gerät sind zwar in dem DFG-Antrag enthalten (vide supra), werden aber selbst bei positiver Begutachtung vermutlich frühestens Mitte 2016 zur Verfügung stehen. Zwar soll in der Zwischenzeit versucht werden die Microbubbles durch andere Mechanismen zum Platzen zu bringen (Hitzeeinwirkung, starke Scherkräfte), dabei ist jedoch mit negativen Einflüsse auf den eingeschlossenen Wirkstoff, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, zu rechnen und das Ziel des Projekts ist ja die zytotoxische Wirkung durch fokussierten Ultraschall zu lokalisieren.
Weiterhin wünschenswert wäre ein einfaches, gebrauchtes klinisches Ultraschallgerät, über das die Microbubbles über ihren differentiellen Kontrast relativ zum Medium direkt nachgewiesen werden könnte um ihre Stabilität in Modellsystemen für Blutgefäße untersuchen zu können.
Für das Projekt standen auf Antrag vom 08.12.2014 im Berichtszeitraum zuzüglich der Deckung der restlichen Personalausgaben Mittel in Höhe von insgesamt € 7.500,- zur Verfügung, wobei von diesem Ansatz € 6.500,- für Sachkosten und € 1.000,- für Reisemittel vorgesehen waren.
Cytostatika-Applikation, Zwischenbericht für den Zeitraum 01.03. bis 30.11.2014
1. Zielsetzung
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3 Jahren eine zumindest im Tierversuch einsetzbare Methodik zur verbesserten, d.h. lokalen Chemotherapie bösartiger Hirntumoren, sowie im nächsten Schritt auch bestimmter anderer Krebserkrankungen wie Mamma- und Prostatakarzinomen zu entwickeln. Dier hierzu notwendigen chemischen und biologischen Experimente können mit überschaubaren Mitteln realisiert werden. Dies schließt die Entwicklung und Anwendung einfacher, allerdings nur in Laborversuchen verwendbarer Ultraschall-Systeme ein. Ein wesentliches Zwischenziel war die aus Stiftungsmitteln finanzierte Konstruktion des bislang verwendeten Ultraschall-Systems, das für die weiterführenden Versuche noch modifiziert werden muss.
PROJEKT SEIT 2015
ATLAS OF THE
HUMAN BRAIN
Universeller Hirnatlas erhält Auszeichnung der „British Medical Association“
Eben wurde die völlig neu gestaltete 4. Auflage des „Atlas of the Human Brain“ (Juergen K. Mai, Milan Majtanik, George Paxinos) von der British Medical Association ausgezeichnet (Award for the “Best Illustrated Book” of 2015). Der Atlas zeigt in bisher unerreichter Auflösung und Ausführlichkeit die Anatomie des menschlichen Gehirns in Übereinstimmung mit der radiologischen Anatomie des Individualgehirns.

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Beinahe täglich erfährt man von „neuen“ Vorkommnissen im Gehirn. Sei es der Ort für die romantische Liebe, Aggression oder Aversion... Wie bei einem Bericht über angesagte Urlaubsregionen möchte mancher die Örtlichkeiten etwas näher kennenlernen und sich mit den Gegebenheiten näher vertraut machen. Nun ist es im Gehirn schwieriger, sich zurechtzufinden und die Berichte einzuordnen. Die „Landkarten“ des Gehirns lassen sich nicht wie Straßenkarten ausbreiten sondern bilden ein dreidimensionales kompliziertes Konstrukt. Die Regionen des Gehirns auf zweidimensionalen Atlastafeln verlässlich abzubilden erinnert an die Quadratur des Kreises.
Anatomie der Serienschnitte mit dem „allgemeinen“ radiologischen Mustergehirn. Dadurch wird die Grundlage für eine direkte Vergleichbarkeit individueller Gehirne geschaffen. Hierin können anhand der standardisierten Koordinaten (Voxel) die „neuen“ Vorkommnisse“ zugeordnet und mit bereits vorliegenden Daten abgeglichen werden.
werden können.
zur Verbesserung der Planungsgenauigkeit und zur Auswertung von hirnchirurgischen Eingriffen (Tiefenhirnstimulation) sowie als Interpretationshilfe von (komplizierten) radiologischen MRT-Befunden des Gehirns eingesetzt.
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Mehrere Jahrzehnte wurde an dem Atlas gearbeitet, um die Ausführlichkeit und Detailgenauigkeit zu erreichen. Bereits die erste Auflage 1996 erhielt den “Medical Science Award” der American Association of Publishers for Professional and Scholarly Publishing (https://proseawards.com/winners/1997-award-winners/#body). In der völlig neuen 4. Auflage wird nun das dreidimensionale „generalisierte Hirnmodell“ repräsentiert. -
Dank der Entwicklung neuer Algorithmen können die anatomischen Informationen in die einzelnen MRI Datensätze von Patienten transformiert und für die automatische Interpretation von Gehirn-Scans verwendet werden.
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
e-mail: mai@uni-duesseldorf.de, milan.majtanik@uni-duesseldorf.de
PROJEKT SEIT 2014
ULTRASCHALL-INDUZIERTE
TUMORBEHANDLUNG
Rahmenbedingungen
Mit Mitteln der Jörg Bernards-Stiftung wurde die Medizintechnik-Bachelorarbeit des Studenten
Romeo Hollan unterstützt. Die Arbeit wurde bei der MRC Systems GmbH durchgeführt und von der Hochschule Mannheim betreut. Sie wurde abweichend vom ursprünglichen Zeitplan erst im April 2015 abgeschlossen und mit der Bestnote 1,0 bewertet.

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Im weiteren Projektverlauft soll das von dem Studenten aufgebaute Laborgerät von Mitarbeitern der MRC im Hinblick auf Benutzerfreundlichkeit so weiter entwickelt werden, dass es an der Universität Würzburg und/oder am Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg eingesetzt werden kann. Des Weiteren hat das Kuratorium der Jörg Bernards-Stiftung der Anschaffung eines Schallwandlers zugestimmt.
Projektziele
Phasenverschiebung und Amplitude angesteuert werden.
2. Experimente mit Ultraschallwandler
Biomedizinische Technik IBMT ausgeliehenen Ultraschallarray-Testmuster mit sieben Elementen und einem Ultraschall-Empfänger durchgeführt.
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die Programmierung der Schnittstellen zwischen Benutzeroberfläche und Laborgerät -
die Überarbeitung des Laborgeräts im Hinblick auf Mobilität und einfache Bedienung, inklusive Einbau einer geeigneten Frontplatte -
die Anschaffung eines in Zell- und Tierversuchen einsetzbaren Ultraschall-Wandlers und dessen Erprobung mit dem Laborgerät
Ultraschall-induzierte Tumorbehandlung 30.11.2014
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Vorverstärkung: Die an den Ausgängen des Frequenzgenerators liegenden festen Amplituden werden in einen variablen Vorverstärker gespeist. Dessen Amplitude wird genauso wie der Frequenzgenerator selbst mit dem Mikrocontroller gesteuert. Damit werden zunächst Amplituden bis 1,2V erzeugt. -
Zwischenverstärkung: Diese Stufe sorgt für höhere Amplituden von bis zu ca. 14 V, abhängig von der Frequenz. -
Hochspannungsverstärkung: Schließlich wird ein Festverstärker eingesetzt, an dessen Ausgang die in Abbildung 2 aufgetragenen Werte, abhängig von der Frequenz, realisiert werden konnten.

Ultraschall-induzierte Tumorbehandlung 05.05.2014
Rahmenbedingungen
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Für die Personalstelle haben wir bis Ende April 2014 (5 Monate Praktikum und 4 Monate Werksstudenten-Tätigkeit) ca. 5.400 EUR eingesetzt. -
Für elektronische Kleinteile (inkl. Microcontrollern) wurden bislang 310 EUR eingesetzt. Darüber hinaus benötigte Komponenten wurden aus unserem Bestand entnommen.
PROJEKT SEIT 2012
IM GEHIRN MEHR
SEHEN UND ERKENNEN
Atlas basierte Tiefenhirnstimulation und Früherkennung von Tumoren bei Prof. Sturm an der Uni-Klinik Köln
Mit der Unterstützung der Jörg von Bernards Stiftung wurde in der Abteilung für Neurochirurgie und Stereotaxie an der Uni-Klinik Köln unter der Leitung von Prof. Sturm eine neuartige Software entwickelt, mit dem man die Anatomie des Gehirns besser erkennt und pathologische Hirnveränderungen früher sichtbar machen kann.

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Die anatomische Struktur des Gehirns kann mit modernen bildgebenden Verfahren, wie z.B. der Magnetresonanztomographie (MRT), sichtbar gemacht werden (Abb. 1b). Trotzt der Fortschritte in den letzten Jahren kann jedoch nur ein Bruchteil der anatomischen Komplexität des Gehirns mit diesen Verfahren dargestellt werden. Dies wirkt sich erschwerend auf viele Therapieverfahren aus.
Für Tiefenhirnstimulation, ein Therapieverfahren bei dem die Aktivität bestimmter Hirngebiete mit elektrischer Stimulation moduliert wird, ist es außerordentlich wichtig die genaue Position und die 3D Form des zu stimulierende Hirnareals genau zu kennen. Nur dann kann eine optimale Stimulation und damit eine wesentliche Reduktion der Symptome erzielen werden. Dabei müssen oft nur spezielle Teilstrukturen, die mit bloßem Auge kaum bestimmbar sind, stimuliert werden. Bei pathologischen Hirnveränderungen und durch individuelle Variationen kann die genaue Lokalisation von Teilstrukturen sehr erschwert oder fast unmöglich sein. Auch für die Behandlung von pathologischen Hirnveränderungen (Tumore, Demenz, ...) ist es sehr wichtig, präzise zu wissen, wo diese Veränderungen stattfinden, um eine optimale Therapie mit minimalen Nebenwirkungen zu bestimmen.
Um das Problem der fehlenden Details der Hirnanatomie zu lösen, benötigt man eine zusätzliche Quelle für anatomische Information. Dazu kann man auf einen Hirnatlas zurückgreifen. In dieser Arbeit wurde der detaillierteste Atlas des menschlichen Gehirns, der Hirnatlas von Mai, verwendet (Mai et. al., 2008). Der Mai Atlas enthält eine sehr hohe Anzahl von anatomischen Strukturen und deren Unterteilungen, die aus mikroskopischen Untersuchungen von menschlichem post-mortem Gehirnen gewonnen wurden.
In der Abbildung 1 werden beispielhaft die Teilstrukturen der Amygdala, einer für die Verarbeitung von Emotionen wichtige Hirnstruktur, dargestellt. Mit dem neu entwickelten Algorithmus wird der Mai-Atlas (Abb. 1a) hierarchisch, nichtlinear und multimodal auf das Gehirn eines Patienten (Abb. 1b) transformiert. Damit wird die anatomische Information direkt auf dem Gehirn des Patienten sichtbar gemacht (Abb. 1c) und kann für eine 3D-Operationsplanung genutzt werden (Abb. 1d).
Mit dem Algorithmus konnten zwei wesentliche Verbesserungen erarbeitet werden. Erstens, mit der Transformation des Atlasses auf das Patienten-Gehirn wird ein großes Spektrum von anatomischen Details sichtbar gemacht und kann für die Verbesserung der Vorbereitung operativer stereotaktischer Eingriffe am menschlichen Gehirn genutzt werden (A). Zweitens, kann der Transformation-Algorithmus für eine Früherkennung von krankhaften Hirnveränderungen eingesetzt werden (B).

Abbildung 1: Die Anwendung des Atlasses für die Planung einer Tiefenhirnstimulation von Amygdala. (a) Der Atlas von Mai. (b) MRT-Scan des Patienten. (c) Teilstrukturen der Amygdala farbig kodiert. (d) 3D Model der Teilstrukturen der Amygdala zusammen mit einer optimal platzierten Stimulationselektrode.
(A) Verbesserung der Vorbereitung operativer stereotaktischer Eingriffe
Mit der detaillierten anatomischen Information auf dem Patientenhirn kann die Präzision
und die Effektivität der stereotaktischen Eingriffe verbessert werden. Man kann die Wirkung der sichtbaren Anatomie am Beispiel der Tiefenhirnstimulation (im Englischen deep brain stimulation, DBS) veranschaulichen. Die Standardanwendung der Tiefenhirn-stimulation ist die Behandlung der Symptome der nicht medikamentös behandelbaren Parkinson’schen Erkrankung. Dazu wird stereotaktisch eine sehr dünne Elektrode ins Gehirn des Patienten eingeführt. Über diese chronisch implantierte Tiefenhirnelektrode wird ein permanenter, hochfrequenter (> 100 Hz), elektrischer Strompuls appliziert. Die hochfrequente Tiefenhirnstimulation ändert das Muster der neuronalen Aktivität und kann im Zielgebiet zur Unterdrückung der pathologischen neuronalen Aktivität führen. Dies führt zur Unterdrückung vom peripheren Tremor bei Parkinson’schen Erkrankung. Wichtig für die Effektivität der Tiefenhirnstimulation ist eine präzise Platzierung der Tiefenhirnelektrode im Zielgebiet. Liegt die Elektrode nur teilweise oder daneben, reduziert es wesentlich die Wirkung der Stimulation und führt es zu unerwünschten Nebeneffekten.
Ist die präzise anatomische Lokalisation des Zielgebietes während einer Operations-planung mit dem Atlas sichtbar gemacht, so können möglichst viele Stimulationskontakte der Elektrode richtig platziert werden. Bei sehr kleinen und komplizierten Strukturen, wie z.B. bei der Amygdala ist es nicht möglich, die genaue Lage der Teilstrukturen mit bloßem Auge genau zu erkennen. Hier ermöglicht der auf das individuelle Patienten-Gehirn angepasster Atlas eine Operationsplanung in 3D (Abb. 1d). Das Ziel ist, die Elektrode so zu platzieren, dass möglichst viele Stimulationskontakte (Abb. 1d, grauer Pfeil) innerhalb des Zielgebiets liegen und möglichst wenig die benachbarten Strukturen beeinflussen. Je mehr Kontakte in dem Zielgebiet liegen, umso effektiver ist die Wirkung der Stimulation und umso kleiner sind die Nebeneffekte.

Abbildung 2: Früherkennung von Tumoren am Beispiel mit zwei MRT Aufnahmen. Eine frühere MRT Aufnahme (a) wird nichtlinear auf aktuelle MRT Aufnahme (b) transformiert. Die dabei entstehenden Veränderungen können automatisch sichtbar gemacht werden (c). Diese Hirnveränderungen weisen auf mögliche Entstehung eines Tumors hin und können langfristig beobachtet werden.
B) Früherkennung von krankhaften Hirnveränderungen
Eine weitere Anwendung der Software betrifft eine Gruppe von Menschen, die bis heute fast vollkommen vernachlässigt wird. Es sind Menschen, die einen Tumor haben aber sie wissen es nicht. Es wird geschätzt, dass es über 100000 Menschen in Deutschland gibt, für die es zutrifft. Wüsten sie es, könnten ihre Geschichten ganz anders verlaufen.
Um einen Tumor möglichst früh zu erkennen, kann die Software für eine Früherkennung von Tumoren benutzt werden. Dazu wird eine frühere Gehirnaufnahme des Patienten (Abb.2a) mit einer aktuellen Gehirnaufnahme (Abb.2b) mathematisch verglichen. Dabei wir mit dem entwickelten Algorithmus berechnet, auf welchen Stellen sich das Gehirn verändert hat. Veränderungen, die über einem Normalwert liegen, können automatisch gekennzeichnet (Abb.2c). Auf diese Art und Weise können sogar kaum mit bloßem Auge erkennbaren Veränderungen erfasst, langfristig verfolgt oder falls notwendig einer Therapie zugeführt werden.
Es wird erwartet, dass nach dem Abschluss der Testphase pathologische Hirnveränderungen lange vor dem Erscheinen der ersten krankhaften Symptome erkannt werden können. Dadurch kann die Heilungsprognose deutlich positiver ausfallen, da mit einer Therapie viel früher begonnen werden kann. Es wird gehofft, dass die obenerwähnte Gruppe von Menschen in der Zukunft nicht mehr wachsen wird und dass mit dem Verfahren möglichst vielen Menschen rechtzeitig geholfen werden kann.
Literatur
J.K. Mai, G. Paxinos, T. Voß, Atlas of the Human Brain, Elsevier, Amsterdam, 3rd ed., (2008).