Universitätsklinikum Würzburg: Publikations-Highlights Archiv: Neurologie

Skalierbares Open-Source-Software-Toolkit für die automatisierte Bilderfassung mit dSTORM

Superhochauflösung in der Fluoreszenzmikroskopie ermöglicht winzige Strukturen biologischer Proben in unglaublicher Detailgenauigkeit zu betrachten. Trotz ihres Potenzials bleibt die Erfassung hochmoderner, superhochaufgelöster Bilder aufgrund des erforderlichen technischen Fachwissens, der zeitintensiven Verfahren und der komplexen Analyse eine Herausforderung.

Das Cover von Biophysical Reports zeigt leuchtende Mikrokugeln, die aussehen wie gelb-rote Ringe, auf schwarzem Hintergrund. — Titelbild: Künstlerische Komposition autonom aufgenommener dSTORM-Bilder von farbstoffbeschichteten Mikrokugeln (SpheroRulers), welche die im Vergleich zu einem herkömmlichen Weitfeldbild erreichte verbesserte räumliche Auflösung veranschaulichen.

Freigestellt Porträts der vier Forschenden, darüber die Logos von RVZ, IZKF und UKW — Erfolgreiche Kooperation von Janis Linke und Katrin G Heinze vom RVZ und Luise Appeltshauser und Kathrin Doppler aus der Neurologischen Klinik (v.l.n.r.)

Collage aus der publizierten Studie — Automatisierte STORM-Erfassung für High-Content-dSTORM-Daten: Durch die Integration von Deep Learning in die Superauflösungsbildgebung können Bilder völlig autonom erfasst werden. (A) Die Erfassung erfolgte nach einem automatischen vierstufigen Protokoll: High-Content-Bilderfassung, gefolgt von semantischer Bildsegmentierung, gefolgt von Objektidentifizierung und schließlich dSTORM-Bildgebung. (B und C) Zur Bildgebung von βII-Spektrin in Nervenaxonen wurden die Axone in einem separaten Farbkanal identifiziert, der für Neurofilamente gefärbt war. (B) Das High-Content-Bild zeigt viele Nervenaxone in einer DRG-Neuronenkultur. Maßstab 100 μm. (C) Das DNN konnte diese Axone für die spätere automatisierte Bildgebung segmentieren (grüne Überlagerung).

Bilder und Grafiken aus der Studie — Schnelle Ermittlung axonaler Periodizitäten: Zur schnelleren Ermittlung axonaler Periodizitäten hat das Team eine Erweiterung entwickelt, die nicht von ROI-Auswahlen oder korrekt ausgerichteten Bildausschnitten abhängig ist. (A) dSTORM-Bild von βII-Spektrin in neuronalen Axonen (B) Streudiagramm aller erkannten Emitter in einem zugeschnittenen Bereich von (A) (blau), überlagert mit allen paarweisen Abständen eines Emitters (orange). (C) Histogramm aller paarweisen Abstände aller Emitter von Bild (A) (blau). Gefiltert durch eine Spline-Anpassung an den Verlauf des Axons werden die Peaks deutlich, die die periodische Anordnung der Emitter darstellen (orange). Die Peaks sind mit roten Pfeilen markiert. 190,6 nm.

In dieser Studie präsentiert die Neurologie gemeinsam mit dem Rudolf-Virchow-Zentrum – Center für Integrative und Translationale Bildgebung (RVZ) ein skalierbares Open-Source-Software-Toolkit, das die Bilderfassung mit dSTORM automatisiert. Durch die Nutzung von Deep Learning zur Segmentierung kann das Toolkit Objekte in verschiedenen biomedizinischen Proben präzise identifizieren und gezielt anvisieren, selbst solche mit geringem Kontrast. Diese Automatisierung beschleunigt die Workflows dieser Bildgebung erheblich. Durch die Bereitstellung einer breit zugänglichen, benutzerfreundlichen Lösung können Forscherinnen und Forscher verschiedener Disziplinen die Leistungsfähigkeit der Super-Resolution-Mikroskopie nutzen, ohne eine umfangreiche Spezialausbildung zu benötigen.

Das eigenständige Programm, das in der Fachzeitschrift Biophysical Reports präsentiert wird und sogar den Titel erhalten hat, ermöglicht die zuverlässige Segmentierung biomedizinischer Bilder und übertrifft bestehende Lösungen. Integriert in die Bildgebungs-Pipeline verarbeitet es hochaufgelöste Daten in Minutenschnelle und reduziert so den manuellen Arbeitsaufwand. Anhand biologischer Beispiele wie Mikrotubuli in Zellkulturen und dem βII-Spektrin in Nervenfasern zeigen Janis T Linke und Katrin Heinze vom RVZ gemeinsam mit Luise Appeltshauser und Kathrin Doppler aus der Neurologie, dass der Ansatz die superauflösende Bildgebung schneller, robuster und benutzerfreundlicher macht, auch für Mikroskopie-Laien. Dies erweitert die Anwendungsmöglichkeiten in der Biomedizin, einschließlich Hochdurchsatz-Experimenten.

Janis T Linke, Luise Appeltshauser, Kathrin Doppler, Katrin G Heinze. Deep learning-driven automated high-content dSTORM imaging with a scalable open-source toolkit. Biophys Rep (N Y). 2025 Jun 11;5(2):100201. https://doi.org/10.1016/j.bpr.2025.100201. Epub 2025 Feb 28. PMID: 40023500; PMCID: PMC11986538.

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Fibromyalgie-Syndrom: Autoantikörper greifen Strukturen des peripheren Nervensystems an

Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Claudia Sommer von der Neurologischen Klinik und Poliklinik zeigt in ihrer in der Fachzeitschrift PAIN veröffentlichten Studie, dass ein fehlgeleitetes Immunsystem möglicherweise nicht nur eine Reaktion des Körpers auf das Fibromyalgie-Syndrom (FMS) ist, sondern ursächlich mit den Symptomen zusammenhängt.

Gefrierschnitte von Spinalganglien der Ratte wurden auf die Bindung von kommerziell erhältlichen Antikörpern („Vergleichs-AK“) gegen Neurofilament 200 (NF200) und den Capsaicin-Rezeptor TRPV1 getestet. Die erste Spalte zeigt, dass NF200 erwartungsgemäß an große Neuronen und TRPV1 an kleine Neuronen bindet. Die zweite Spalte zeigt die Bindung von Serum eines Patienten mit Fibromyalgiesyndrom an diese Neuronen. Das Serum bindet hauptsächlich an große Neuronen. Die dritte Spalte zeigt die Überlagerung der beiden Färbungen. Das Patientenserum kolokalisiert mit dem Marker NF200, aber nicht mit dem Rezeptor TRPV1. Für verschiedene Patienten mit Fibromyalgiesyndrom wurden unterschiedliche Bindungsmuster gefunden. Bildquelle: C. Sommer/S. Seefried / UKW

So fand die Medizindoktorandin Anastasia Barcic heraus, dass bei über 35 Prozent der vom FMS Betroffenen Autoantikörper vorliegen, die gegen Strukturen des peripheren Nervensystems gerichtet sind. Sabine Seefried, naturwissenschaftliche Doktorandin, untersuchte mithilfe von Immunmarkierungen, an welche Strukturen des peripheren Nervensystems die Autoantikörper binden. Sie identifizierte dabei unterschiedliche Bindungsmuster, die bestimmte Patientengruppen kennzeichneten. So war bei Betroffenen mit Antikörperbindung an Satellitenzellen die Schmerzintensität höher, während Bindungen an hitze- und schärfeempfindliche Nervenzellen häufiger mit Brennschmerzen einhergingen. Weitere Erkenntnisse könnten neue, gezieltere Therapien ermöglichen.

Weitere Informationen liefert die Pressemeldung.

Seefried, Sabine; Barcic, Anastasia; Grijalva Yepez, Maria Fernanda; Reinhardt, Lena; Appeltshauser, Luise; Doppler, Kathrin; Üçeyler, Nurcan; Sommer, Claudia^*. Autoantibodies in patients with fibromyalgia syndrome. PAIN ():10.1097/j.pain.0000000000003535, February 5, 2025. | DOI: 10.1097/j.pain.0000000000003535

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MARBLE analysiert Hirnaktivitäten

Um neuronale Aktivitätsmuster im Gehirn zu analysieren und zu interpretieren entwickelte Robert Peach, Physiker und Computational Neuroscientist in der Neurologischen Klinik, gemeinsam mit befreundeten Kollegen aus Wien, London und Lausanne eine KI-Methode namens MARBLE MAnifold Representational Basic Learning.

Robert Peach, Physiker und Computational Neuroscientist aus der Neurologischen Klinik des Universitätsklinikums Würzburg (UKW) entwickelte mit ehemaligen Kollegen aus London und Lausanne MARBLE – ein computergestütztes Werkzeug, das Signale der Gehirnzellen in charakteristische Aktivitätsmuster zerlegt und ihre Bewegung in Raum und Zeit analysiert. © Kirstin Linkamp / UKW

Graphical Abstract aus 5 Bildern, die in Nature Methods erschienen sind. — Darstellung und Entschlüsselung der neuronalen Aktivität im Gehirn eines Affen während er seinen Arm bewegt: a) Bewegung der Hand in sieben verschiedene Richtungen; b) Aktivitätsmuster einzelner Nervenzellen im prämotorischen Kortex für drei dieser Bewegungen, der schattierte Bereich zeigt die analysierten Spuren nach dem GO-Hinweis für den Affen; c) Darstellung der neuronalen Daten als ein Vektorfeld, das die Veränderungen der Feuerraten über die Zeit zeigt; d) vereinfachte Darstellung der neuronalen Daten in einer einzigen Sitzung; MARBLE zeigt eine latente, kreisförmige Anordnung der Daten in zirkulärer und zeitlicher Ordnung, die die räumlichen Bewegungen widerspiegelt; e) präzise lineare Dekodierung der Handbewegungen aus den latenten Repräsentationen. © Gosztolai & Peach et al. et al. MARBLE: interpretable representations of neural population dynamics using geometric deep learning. Nat Methods (2025). https://doi.org/10.1038/s41592-024-02582-2

MARBLE nutzt geometrisches Deep Learning, um komplexe, hochdimensionale Daten auf einfachere Strukturen, sogenannte Mannigfaltigkeiten, zu reduzieren. Dadurch kann MARBLE gemeinsame Denkstrategien zwischen verschiedenen Individuen erkennen, ohne die individuellen Unterschiede zu vernachlässigen. Die Methode wurde an künstlichen neuronalen Netzen, simulierten Systemen und echten Hirndaten von Primaten und Nagetieren getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass MARBLE wiederkehrende Muster identifizieren kann, die mit Denkprozessen wie Entscheidungsfindung oder Anpassung an neue Situationen zusammenhängen. Diese Erkenntnisse könnten zur Entwicklung fortschrittlicher Gehirn-Computer-Schnittstellen beitragen, die insbesondere Menschen mit motorischen Einschränkungen zugutekommen. Die Forschung wurde im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereichs TRR 295 ReTune durchgeführt.

Details zum Projekt finden Sie in der Pressemeldung.

Gosztolai, A., Peach, R.L., Arnaudon, A. et al. MARBLE: interpretable representations of neural population dynamics using geometric deep learning. Nat Methods (2025). https://doi.org/10.1038/s41592-024-02582-2

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Fibromyalgie objektiv diagnostizieren

Prof. Dr. Nurcan Üçeyler und Dr. Christoph Erbacher von der Neurologischen Klinik haben ihre neuesten Forschungsergebnisse zum Fibromyalgie-Syndrom (FMS) in der Fachzeitschrift Pain veröffentlicht. Sie fanden heraus, dass bestimmte kleine Ribonukleinsäuren (RNAs) im Blut und in Hautzellen von FMS-Patientinnen erhöht sind und mit der Schwere der Symptome korrelieren.

Dieser Nachweis objektiv messbarer Veränderungen im Vergleich zu gesunden Probandinnen und in Abgrenzung zu anderen Erkrankungen kann dazu beitragen, die mit FMS verbundene Stigmatisierung abzubauen, eine schnellere und sicherere Diagnose zu erhalten und neue therapeutische Ansätze zu finden.

Erbacher C, Vaknine-Treidel S, Madrer N, Weinbender S, Evdokimov D, Unterecker S, Moshitzky G, Sommer C, Greenberg DS, Soreq H, Üçeyler N. Altered blood and keratinocyte microRNA/transfer RNA fragment profiles related to fibromyalgia syndrome and its severity. Pain. 2024 Dec 6. doi: 10.1097/j.pain.0000000000003499. Epub ahead of print. PMID: 39679614.

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29.01.2025

Neue Erkenntnisse zur Fibromyalgie beim Mann

Weltweit sind etwa zwei bis vier Prozent der Menschen vom Fibromyalgie-Syndrom (FMS) betroffen. Da die Symptome unspezifisch sind und die Diagnose schwierig ist, geht man von einer hohen Dunkelziffer aus.

Assistenzärztin Betty Feulner (rechts) hat im Rahmen ihrer Dissertationsarbeit gemeinsam mit Prof. Dr. Nurcan Üçeyler, leitende Oberärztin in der Neurologie des Universitätsklinikums Würzburg (UKW), Daten zur Schmerzphänotypisierung und zur Pathologie der kleinkalibrigen Nervenfasern in einer Kohorte von Männern mit Fibromyalgie-Syndrom analysiert. Hier im Labor für quantitative sensorische Testung, Betty Feulner hält eine so genannte Thermode auf den Handrücken von Nurcan Üçeyler. © Julia Grüner / UKW

Die Abbildungen zeigen mittels Stanzbiopsie gewonnene Hautproben von Patienten mit Fibromyalgie-Syndrom (FMS). Der Patient auf der linken Seite weist eine normale Hautinnervation auf, während auf der rechten Seite die intraepidermale Nervenfaserdichte reduziert ist. © Franziska Karl-Schöller / UKW

Betroffene leiden unter Schmerzen, chronischer Müdigkeit, Schlafstörungen, Konzentrationsproblemen und vegetativen Beschwerden. Psychische Belastungen wie Depressionen und Angststörungen treten häufig zusätzlich auf. Das FMS ist zwar nicht heilbar, aber individuell angepasste Therapien wie Bewegung, Schmerzmanagement und psychologische Unterstützung können die Lebensqualität deutlich verbessern.

Die Neurologin Prof. Dr. Nurcan Üçeyler und ihr Team präsentieren in einer prospektiven Fall-Kontroll-Studie in der Fachzeitschrift Pain Reports detaillierte Daten zur Schmerzphänotypisierung und zur Pathologie der kleinkalibrigen Nervenfasern bei einer Kohorte von Männern mit Fibromyalgie-Syndrom. Zum ersten Mal zeigen sie, dass auch bei Subgruppen von Männern mit FMS eine Kleinfaserpathologie besteht, die mit der Schmerzstärke und dem Verlust von Nervenfasern in der Hornhaut zusammenhängt.

Feulner, Betty; Gross, Franziska; Evdokimov, Dimitar; Malik, Rayaz A.; Kampik, Daniel; Üçeyler, Nurcan,*. Pain and small fiber pathology in men with fibromyalgia syndrome. PAIN Reports 9(6):p e1212, December 2024. | DOI: 10.1097/PR9.0000000000001212

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Erstmaliger Nachweis eines lokalen Biomarkers zur Vorhersage schwerer Schlaganfallverläufe

Ein interdisziplinäres Team aus Neuroradiologie und Neurologie identifiziert das Enzym MMP-9 direkt in Blutgefäßen des betroffenen Hirnareals als entscheidenden Biomarker für schwerste Schlaganfallverläufe nach mechanischer Gerinnselentfernung, noch bevor therapeutische Schritte erfolgen.

Das Forscher-Team im Labor — An der Studie beteiligte Forscher am Fluoreszenzmikroskop mit aktiven MMP-9 positiven Entzündungszellen aus einem betroffenen Hirngefäß (v.l.n.r.): Alexander Kollikowski, Michael Schuhmann, Guido Stoll und Mirko Pham. © Vivian Vogt

MMP-9-expressierende Zellen unterm Fluoreszenzmikroskop — Erstmalige Beobachtung stark MMP-9-expressierender neutrophiler Granulozyten aus einer betroffenen Hirnregion bei hyperakutem ischämischem Schlaganfall. © Alexander Kollikowski

Alexander M. Kollikowski, Mirko Pham, Alexander G. März, Jörn Feick, Marius L. Vogt, Yanyan Xiong, Marc Strinitz, Christoph Vollmuth, Fabian Essig, Hermann Neugebauer, Karl Georg Haeusler, Christian Hametner, Lena Zimmermann, Guido Stoll, Michael K. Schuhmann. MMP-9 release into collateral blood vessels before endovascular thrombectomy to assess the risk of major intracerebral haemorrhages and poor outcome for acute ischaemic stroke: a proof-of-concept study. eBioMedicine, Volume 103 (2024). doi:10.1016/j.ebiom.2024.105095

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Morbus Fabry: Von Hautzellen über Stammzellen zu Nervenzellen

Nurcan Üçeyler und ihrem Team ist es erstmals gelungen, aus Hautzellen von Patientinnen und Patienten mit Morbus Fabry Stammzellen herzustellen und diese in sensible Nervenzellen umzuwandeln.

Die Abbildung zeigt die für Morbus Fabry charakteristischen Sphingolipidablagerungen in patienteneigenen Stammzellen und Nervenzellen. Die Ablagerungen wurden mit Hilfe eines Farbstoff-gekoppelten Toxins (STxB, Shiga-Toxin B Untereinheit, grün) sichtbar gemacht, das spezifisch an ein Sphingolipid bindet. In den Stammzellen konnten die Ablagerungen innerhalb der Lysosomen (LAMP1, Lysosom-assoziiertes Membranprotein 1, magenta) nachgewiesen werden. Auch in den Nervenzellen, die aus den Stammzellen generiert und mit Hilfe eines neuronalen Markers sichtbar gemacht wurden (Tuj1, beta-III-Tubulin, magenta), konnten die akkumulierten Sphingolipide nachgewiesen werden. Im Vergleich dazu sind sowohl Stammzellen als auch Neurone einer gesunden Kontrolle frei von Ablagerungen. Zur Darstellung der Zellkerne wurden NucO (Nuclear Orange, blau) und DAPI (4′,6-Diamidin-2-Phenylindol, blau) verwendet. Die Balken entsprechen 1 µm bei Stammzellen und 25 µm bei Neuronen. © Thomas Klein / UKW

Dr. Julia Grüner (links) und Prof. Dr. Nurcan Üçeyler haben für ihre Forschung aus Hautzellen von Patientinnen und Patienten mit Morbus Fabry Stammzellen hergestellt und diese in sensible Nervenzellen umgewandelt. © UKW

Mit diesen patienteneigenen Nervenzellen konnten die Forschenden neue molekulare und funktionelle Erkenntnisse gewinnen, die Hinweise auf Mechanismen geben, welche zu den für die Stoffwechselerkrankung typischen Schmerzen und Gefühlsstörungen beitragen.

Thomas Klein, Julia Grüner, Maximilian Breyer, Jan Schlegel, Nicole Michelle Schottmann, Lukas Hofmann, Kevin Gauss, Rebecca Mease, Christoph Erbacher, Laura Finke, Alexandra Klein, Katharina Klug, Franziska Karl-Schöller, Bettina Vignolo, Sebastian Reinhard, Tamara Schneider, Katharina Günther, Julian Fink, Jan Dudek, Christoph Maack, Eva Klopocki, Jürgen Seibel, Frank Edenhofer, Erhard Wischmeyer, Markus Sauer, Nurcan Üçeyler. Small fibre neuropathy in Fabry disease: a human-derived neuronal in vitro disease model and pilot data. Brain Communications, Volume 6, Issue 2 (2024). doi:10.1093/braincomms/fcae095

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