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Dreidimensionale Darstellung von roten Blutzellen

Es gibt Krankheiten, die sich auf die Anzahl und Form der roten Blutzellen (Erythrozyten) auswirken. Im gesunden Zustand präsentieren sie sich als dellenartig eingedrückte Scheiben, bei gewissen Erkrankungen können sie aber auch gezackt, kugelförmig oder sichelförmig sein. Einem internationalen Team ist es nun gelungen, Blutzellen dreidimensional darzustellen und die Verteilung der Formen in einer Blutprobe zu messen.

Üblicherweise werden Blutzellen im Mikroskop nur von oben betrachtet. Diese einseitige Sicht kann aber täuschen. Denn was rund erscheint, muss in Wirklichkeit gar keine kugelförmige Gestalt haben. Wissenschaftler haben daher rote Blutzellen von Patienten untersucht, die an hämatologischen Krankheiten leiden und diese mit einem Konfokalmikroskop Schicht für Schicht aufgenommen und so ein dreidimensionales Bild erstellt. Mithilfe leistungsfähiger künstlicher Intelligenz können auf diese Weise tausende Zellen einer Blutprobe in wenigen Sekunden dargestellt und die Verteilung der einzelnen Formen im Blut gemessen werden. Weicht dann die Zusammensetzung der Blutprobe von der Normalverteilung in gesunden Blutproben ab, können Mediziner weiter untersuchen, um welche Krankheit es sich genau handelt.

Die Form der roten Blutzellen genau zu kennen, ist auch sehr wichtig für die Kenntnis des Fließverhaltens des Blutes im Körper. Durch Verformungen der roten Blutzellen strömt das Blut mitunter anders als in gesunden Körpern, so dass Herz-Kreislauf-Erkrankungen die Folge sein können. Mit dieser Methode können nun nicht nur Therapieerfolge gemessen und überwacht werden oder der Schweregrad einer Krankheit genau bestimmt werden, auch  Blutbanken könnten so die Qualität des bei ihnen gelagerten Blutes untersuchen.

Referenz:
Uni Saarland, Utrecht University, Grenoble University, University of Luxemburg
Red blood cell phenotyping from 3D confocal images using artificial neural networks. PLoS Comput Biol 2021; https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1008934

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Demenzrisiko steigt mit frühem Diabetes

Neue Ergebnisse einer vor kurzem veröffentlichten Studie mit über 10 000 Studienteilnehmern legen nahe, dass jüngere Personen mit Diabetes später einmal besonders gefährdet sein könnten, eine Demenzerkrankung zu entwickeln.
Im Detail zeigte sich, dass Personen im Alter von 70 Jahren, bei denen kürzlich Typ-2-Diabetes diagnostiziert wurde, kein höheres Demenzrisiko aufwiesen als Personen ohne Diabetes. Gänzlich anders war das Bild für Personen, bei denen Diabetes mehr als 10 Jahre zuvor diagnostiziert worden waren: Sie wiesen das doppelte Demenzrisiko im Vergleich zu gleichaltrigen Personen ohne Diabetes auf. Insgesamt stieg das Demenzrisiko im Alter von 70 Jahren um 24 % für jeweils fünf Jahre, in denen Personen mit Diabetes gelebt hatten.

Offensichtlich bedingt die längere Krankheitsdauer eine Zunahme der Schäden, die durch Diabetes ausgelöst werden. Die Forscher nehmen an, dass ein chronisch erhöhter Blutzuckerspiegel im Laufe der Zeit sowohl große als auch kleine Blutgefäße im Körper schädigen kann. Diese Auswirkungen, die auch den Blutfluss zum Gehirn beeinträchtigen, sind vermutlich ein Grund, warum Diabetes mit Demenz verknüpft ist. Die Behandlung von Diabetes wiederum kann Episoden von niedrigen Blutzuckerspiegeln verursachen, was sich über längere Zeiträume ebenfalls nachteilig auf das Gehirn auswirken könnte.

Die Ergebnisse haben weitreichende Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit da die Häufigkeit von Diabetes weiterhin zunimmt und das Alter bei Krankheitsbeginn sinkt. Andere Studien zum Thema zeigen jedoch auch, dass Personen mit gut kontrolliertem Diabetes einen langsameren geistigen Verfall zeigen als diejenigen mit schlechter Krankheitskontrolle.

Referenz:
Université de Paris; University College London; Semmelweis University, Budapest
Association Between Age at Diabetes Onset and Subsequent Risk of Dementia, JAMA 2021; https://media.jamanetwork.com/news-item/investigating-association-between-age-at-diabetes-onset-subsequent-risk-of-dementia/

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Wie man Blutgefäße in Schach hält

Blutgefäße sind in ihrem Inneren von einer hauchdünnen Zellschicht ausgekleidet: das Endothel.  Es stellt eine entscheidende Barriere zwischen Blut und umliegenden Gewebe dar und fördert den Austausch von Sauerstoff und Nährstoffen, verhindert aber gleichzeitig den unkontrollierten Austritt von Blutbestandteilen. Nur bei erhöhtem Stoffwechselbedarf des Gewebes, etwa bei Wachstum, Wundheilung oder auch wenn ein Tumor entsteht, geben Endothelzellen diesen stabilen Zellverband auf, um sich zu teilen und neue Blutgefäße zu bilden. Die Signale, die dieses Aktivwerden auslösen, sind gut untersucht.

Wenig wusste man bisher darüber, wie Endothelzellen ihren stabilen Ruhezustand aufrechterhalten. Genau dies haben Wissenschaftler nun herausgefunden. Sie wussten auch schon, wo sie ansetzen mussten, am Faktor FOXO1, einem Stoffwechsel- Metabolit, der das Ablesen von Erbinformation in Zellen steuert. Wie genau er dabei vorgeht, wurde nun enträtselt. Nach Isolierung sämtlicher Stoffwechselprodukte aus den Zellen, fiel auf, dass vor allem die Konzentration von 2-Hydoxyglutarat durch FOXO1 anstieg, eine Substanz, die bereits in der Krebsmedizin große Bekanntheit erlangt hat.  Die ForscherInnen fanden allerdings heraus, dass es sich um eine besondere Form des 2-Hydroxyglutarat handelt: das S-2-Hydroxyglutarat. Nur diese Substanz war in der Lage Endothelzellen in der Quieszenz, also in Ruhestellung zu halten.

Vor dem Hintergrund, dass ein „Zuviel“ oder ein „Zuwenig“ von neuen Blutgefäßen bei vielen Krankheiten eine Rolle spielt, ist es wichtig, die grundlegenden Mechanismen dahinter besser zu verstehen, sie die Studienautoren. Langfristiges Ziel ist es, das Wachstum und die Funktion von Blutgefäßen gezielt und möglichst ohne Nebenwirkungen therapeutisch beeinflussen zu können.

Referenz:
Charité Berlin; MDC, Max-Planck Institut, Berlin; Cambridge University; Cold Spring Harbor Lab; CHUV, CH; IBS, Korea
Control of endothelial quiescence by FOXO-regulated metabolites, Nature Cell Biology 2021; https://www.nature.com/articles/s41556-021-00637-6

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Mikrovehikel die gegen den Strom schwimmen

Winzige Vehikel, so klein, dass sie durch unsere Blutgefäße navigieren können, sollen es Ärzten in Zukunft erlauben, im Körperinnern Biopsien zu nehmen, Stents einzusetzen oder Medikamente präzise an schwer zu erreichende Stellen zu transportieren. Wissenschaftler weltweit erforschen und entwickeln derzeit solche Mikrovehikel. Allerdings war es bisher eine große Herausforderung, Mikrovehikel gegen einen Flüssigkeitsstrom zu bewegen. Forschende der ETH Zürich haben nun Mikrovehikel entwickelt, welche von einem externen Feld angetrieben werden und gegen den Strom schwimmen können.

Sie benutzten magnetische Eisenoxid-Polymer-Kügelchen mit einem Durchmesser von 3 Mikrometern, die sich in einem Magnetfeld zu einem Schwarm mit einem Durchmesser von 15 bis 40 Mikrometern zusammenballen. Um den Kügelchenschwarm in einem Röhrchen, das der Größe von Blutgefäßen entspricht, stromaufwärts zu bewegen, nutzten sie denselben Trick, den auch Bootsfahrer in einem Fluss nutzen: Letztere rudern in Ufernähe stromaufwärts. Dort ist die Fließgeschwindigkeit wegen des Reibungswiderstands des Ufers geringer als in der Flussmitte.

Mithilfe von Ultraschall einer bestimmten Frequenz brachten die Wissenschaftler den Mikrokügelchen-Schwarm zunächst in die Nähe der Röhrchenwand. Anschließend konnten sie den Schwarm mit einem rotierenden Magnetfeld entgegen der Flussrichtung bewegen.

„Weil sowohl Ultraschallwellen als auch Magnetfelder Körpergewebe durchdringen, ist unsere Methode gut geeignet, um Mikrovehikel auch im Körperinnern zu lenken,“ fassen die Studienleiter Daniel Ahmed und Bradley Nelson ihre Ergebnisse zusammen. Neben dem Abbau von verstopften Blutgefäßen könnten die Mikrovehikel dazu verwendet werden, um Krebsmedikamente über die Blutgefäße zu Tumoren zu bringen oder Wirkstoffe ins Hirngewebe transportieren zu können.

Referenz:
ETH Zürich
Bioinspired acousto-magnetic microswarm robots with upstream motility, Nature Machine Intelligence, https://www.nature.com/articles/s42256-020-00275-x

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Mit Angelhaken durch die Blutbahn

Wie sich besonders verwinkelte und kleine Blutgefäße erreichen lassen, hat ein Team der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) herausgefunden. Um sich Zugang zu hauchdünnen Venen und Arterien zu verschaffen, wurde bisher ein Führungsdraht, mit dem sich Katheter an die gewünschte Stelle schieben lassen, verwendet.

Damit bleiben aber große Teile des Gehirns unzugänglich, weil die vorhandenen Geräte unhandlich sind und die Erforschung des winzigen, komplizierten zerebralen Gefäßsystems ohne Gewebeschädigung extrem schwierig ist.

Deshalb wurden nun weniger als hundert Mikrometer kleine Geräte entwickelt, die auch die feinsten und besonders verzweigten Blutgefäße erreichen. Die Instrumente bestehen aus einer magnetischen Spitze und einem flexiblen Körper aus biokompatiblen Kunststoffen. Sie funktionieren ähnlich wie ein Angelhaken im Wasser: Der Blutfluss zieht das an einem Ende festgehaltene Gerät zu den winzigsten Gefäßen im Körper. Trifft es auf eine Verzweigung, lässt es sich mittels magnetischer Computersteuerung in die gewünschte Position drehen. So wandert es entlang der Kapillaren weiter ohne Schäden an den Gefäßwänden zu verursachen. Die Machbarkeit wurde in Laborexperimenten sowie im Gefäßsystem eines Kaninchenohrs demonstriert.

In einem nächsten Schritt möchten die Forscher das System in weiteren Tierversuchen testen. Sie hoffen, dass ihre Entwicklung es einmal erlauben wird, tiefsitzende Tumore im Gehirn zu behandeln.

Referenz:
EPFL
Pressemeldung Science APA; https://science.apa.at/power-search/7166836274369196198,
Originalpublikation: Flow driven robotic navigation of microengineered endovascular probes, Nature Communications 2020, https://www.nature.com/articles/s41467-020-20195-z

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