Forscher an der Universität von Iowa schaffen Modell der mysteriösen Region.
Inmitten des außerordentlich dichten Netzes von Bahnen in einer Säugetierlunge ist ein häufiges Ziel. Dort führt jede Straße zu einer Art Sackgasse, dem Lungenazinus. Dieser Ort sieht aus wie eine Weintraube an einem Stiel (Acinus bedeutet auf Lateinisch „Beere“).
Das hier abgebildete Bild zeigt die pulmonale Acini einer Maus, die Endpunkte, an denen sich Gase und Blut in einer Lunge vermischen und deren Funktion ein Rätsel bleibt. Foto mit freundlicher Genehmigung von Dragos Vasilescu, University of Iowa und der University of British Columbia. Bildnachweis: Dragos Vasilescu / Universität von Iowa, Universität von British Columbia.
Wissenschaftler haben sich Mühe gegeben, genauer zu verstehen, was in dieser mikroskopisch kleinen, labyrinthartigen Kreuzung von Gassen und Sackgassen passiert. Um dies herauszufinden, erstellte ein Forschungsteam unter Leitung der Universität von Iowa die detaillierteste dreidimensionale Darstellung des Lungenazinus. Das computergestützte Modell, das von Mäusen abgeleitet wurde, ahmt jede Drehung und Drehung in dieser Region getreu nach, einschließlich der Länge, Richtung und Winkel der Atemwege, die zu den wichtigen Luftsäcken führen, die als Alveolen bezeichnet werden.
"Die hier beschriebenen Bildgebungs- und Bildanalysemethoden ermöglichen eine Verzweigungsmorphometrie auf einem bisher nicht verfügbaren Niveau", schreiben die Forscher in dem Artikel, der diese Woche in der Online-Frühausgabe der Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht wurde.
Das Modell ist wichtig, da es Wissenschaftlern helfen kann zu verstehen, wo und wie Lungenerkrankungen entstehen und welche Rolle der Lungenazinus bei der Verabreichung von Arzneimitteln spielt, wie sie üblicherweise mit Inhalatoren verabreicht werden.
Das Video zeigt die Abbildung eines Abschnitts einer Mäuselunge. Wenn sich das Bild dreht, werden mehr Atemwege (Bronchiolen) sowie drei Acini (gelbe, grüne und orangefarbene Cluster) gezeigt. Die Blutgefäße, die die Acini füttern, werden dann hinzugefügt, wobei die Arterien blau und die Venen rot dargestellt sind.
„Mit diesen Methoden können wir nachvollziehen, wo die Erkrankung an der Lungenperipherie beginnt und wie sie fortschreitet“, sagt Eric Hoffman, Professor für Radiologie, Medizin und Biomedizintechnik am UI und entsprechender Autor auf dem Papier. „Wie gelangen Gase und eingeatmete Substanzen dorthin und reichern sich in der einen oder anderen Akinus an? Wie wirbeln sie herum und räumen aus? Wir haben einfach kein vollständiges Verständnis dafür, wie das passiert. "
Hoffman sagte beispielsweise, dass das Modell verwendet werden könnte, um zu bestimmen, wie das durch Rauchen hervorgerufene Emphysem entsteht. "Es wurde kürzlich die Hypothese aufgestellt, dass es eher mit dem Verlust der peripheren Atemwege als mit dem Verlust der Lungenluftsäcke beginnt", zitiert er die laufenden Forschungen von James Hogg von der University of British Columbia, der an dieser Studie nicht beteiligt war. Dragos Vasilescu, Erstautor des Papiers, der seine These auf der Forschung als Doktorand an der UI gründete, sagte, dass dies auch zu einer wirksameren Behandlung der chronisch obstruktiven Lungenerkrankung führen könnte, die irreversible Schäden an der Lunge verursacht.
Das Beste, was Pioniere der Lungenanatomie wie der Studienkorrespondent Ewald Weibel, emeritierter Professor für Anatomie an der Universität Bern, jahrelang tun konnten, um bestimmte Bereiche einer Lunge zu untersuchen, war, zweidimensionale Messungen durchzuführen oder 3D-Abdrücke zu erstellen Lufträume einer Lunge. Die Techniken gaben zwar die frühesten Einblicke in das Make-up und die Funktionsweise einer Lunge, hatten aber ihre Grenzen. Zum einen haben sie die Struktur einer Lunge im wirklichen Leben nicht direkt nachgebildet und konnten nicht vermitteln, wie verschiedene Teile als Ganzes zusammenwirken. Dank der Fortschritte bei Bildgebung und Berechnung konnten die Forscher jedoch genauer untersuchen, wie Gase und andere eingeatmete Substanzen in den am weitesten entfernten Aussparungen der Lunge wirken.
In dieser Studie arbeitete das Team mit 22 Lungen-Acini, die von jungen und alten Mäusen getötet wurden. Anschließend „rekonstruieren“ sie die Acini auf der Grundlage der Mikrocomputertomografie von gescannten Lungen in Mäusen und extrahieren sie daraus. Die extrahierten Lungen wurden so erhalten, dass die Anatomie intakt blieb - einschließlich der winzigen Lufträume, die für eine erfolgreiche Bildgebung erforderlich sind. Daraus konnten die Forscher einen Acinus messen, die Anzahl der Acini für jede Mauslunge abschätzen und sogar die Alveolen zählen und ihre Oberfläche messen.
Die Mauslunge ist in ihrer Struktur und Funktion der menschlichen Lunge bemerkenswert ähnlich. Das heißt, Forscher können die Genetik einer Maus verändern und sehen, wie sich diese Veränderungen auf die periphere Struktur der Lunge und ihre Leistung auswirken.
Bereits in der aktuellen Studie stellten die Forscher fest, dass die Anzahl der Mausalveolen über die zwei Wochen hinaus anstieg, auf die mindestens eine frühere Studie hingewiesen hatte. Hoffman fügt hinzu, dass eine separate Studie erforderlich ist, um festzustellen, ob auch Menschen die Anzahl der Luftsäcke nach einem bestimmten, vorher festgelegten Alter erhöhen.
Das nächste Ziel der Forscher ist es, das Modell zu verwenden, um besser zu verstehen, wie Gase mit der Blutbahn in den Acini und den Alveolen interagieren.
„Unsere Bildgebungs- und Bildanalysemethoden ermöglichen neue Wege zur Untersuchung der Lungenstruktur und können nun zur weiteren Untersuchung der normalen gesunden Lungenanatomie beim Menschen und zur Visualisierung und Bewertung der pathologischen Veränderungen in Tiermodellen bestimmter struktureller Erkrankungen verwendet werden. “, Sagt Vasilescu, Postdoktorand an der University of British Columbia.
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