Einsatz computertomographischer Volumendatensätze und 2D- sowie 3D- Rekonstruktionen bei tierexperimentellen Untersuchungen im Sinne des 3R- Konzeptes

Abstract

In dieser Habilitationsarbeit wurde untersucht, inwiefern der Einsatz der Computertomographie mit nachfolgenden 2D- und 3D-Reformatierungen einen Beitrag in Tierexperimenten und zu dem 3R-Konzept in Form einer Verringerung, Verfeinerung und Vermeidung von Tierversuchen leisten kann. Gerade computertomographische Untersuchungen besitzen aufgrund der kurzen Akquisitionszeit einen hohen Wert bei der umfassenden Auswertung von tierexperimentellen Versuchsvorhaben. Die risikoarme Darstellung des Versuchstieres mittels CT sowie die Nachverarbeitung der Volumendatensätze ermöglicht die Beantwortung von Fragen weit über die initiale Fragestellung hinaus. Die hier dargestellten Arbeiten belegen den Wert der CT für tierexperimentelle Studien und in den Bereichen Vermeidung, Verfeinerung und Verringerung nach den 3R-Prinzipien von Russel und Burch: So konnten pulmonale Veränderungen mittels CT nachgewiesen werden, die den Einfluss unphysiologischer Positionierung auf Lungenperfusion und-ventilation wiederspiegelt (s. Seite 13). Ebenso konnten bildmorphologisch die Einschränkungen bei der venovenösen Haemofiltration erklärt und Alternativen aufgezeigt werden (s. Seite 23). Zur Verfeinerung des Tiermodells „Minipig“ wurden die zentralen Gefäße in vivo mittels CT zu verschiedenen Zeitpunkten gemessen und zur Histologie korreliert. Damit wurde erstmalig ein Datenpool generiert, der ohne Einschränkung von Fixierung und Schrumpfung das wiederspiegelt, was intraoperativ oder interventionell vorgefunden werden wird (s. Seite 35). Zudem konnte der Einfluss von Gewicht und Wachstum auf das Gefäßsystem von Minipigs im untersuchten Alter zwischen 16 und 20 Monaten relativiert werden. Die Evaluation einer Venenmanschette, die auf Ortsständigkeit, Funktion und Biokompatibilität getestet wurde, greift bis zum Finaltag ausschließlich auf CT-Datensätze zurück. Aufgrund des Einsatzes der CT konnten alle wesentlichen Fragen im Verlauf des Versuches ohne serielle Tötung der Tiere beantwortet werden. Der Aspekt der Verringerung (weniger Tiere zur vollständigen Beantwortung der Hypothesen) konnte hier aufgegriffen und erfolgreich umgesetzt werden (s. Seite 40). Zwei Aspekte physiologischer und pathophysiologischer Veränderungen wurden erfolgreich mittels computertomographischer Volumendatensätze dargestellt: So wurde nachgewiesen und bildmorphologisch aufgearbeitet, dass -und wie- ein vollständiger Verschluss der Aorta bei weiblichen Hausschweinen aufgrund stark ausgeprägter Kollateralkreisläuft weitestgehend ohne klinische Symptome kompensiert werden kann (s. Seite 51). Zuletzt wurde durch die Betrachtung von Knochendefekten am Unterkiefer von Minipigs das Konzept der kritischen Defektgröße in Frage gestellt. Bei unterschiedlichen Defektgrößen weit über der als kritisch betrachteten Defektgröße zeigte sich im CT und auch volumetrisch eine ausgedehnte Knochenneubildung (s. Seite 65). Gleichzeitig konnten in dieser Studie auch die Limitationen eines Tiermodelles und die Folgen artspezifischer Besonderheiten aufgegriffen und bildmorphologisch belegt werden. Das hier gewonnen Wissen kann zur Vermeidung von eingeschränkt-aussagekräftigen Versuchsvorhaben eingesetzt werden, da diese Daten einmal mehr zeigen, dass ein an sich etabliertes Tiermodell aufgrund unzureichender physiologischer Deskription kritisch hinterfragt werden muss. Zuletzt ermöglicht ein Datenpool aus allen durchgeführten Studien an Hausschweinen und Minipigs eine Auswertung der Datensätze mit neuen Fragestellungen ohne weitere Versuche oder Messungen. Beispielhaft sei hier auf Originalarbeit 3 verwiesen, die ohne zusätzliche Untersuchungen auskommt und sich auf die vorhandenen Daten des Bildarchives stützt. Fragestellungen zum muskuloskelettalen System, zu Reifung und Wachstum können aus einem solchen Pool beispielsweise beantwortet oder geplante Versuchsvorhaben optimiert werden. Der Einsatz bildgebender Verfahren bietet somit ein Potential, welches weit über die initialen Fragestellungen eines Versuches hinausgeht.

This habilitation thesis investigated how the use of computed tomography (CT) with subsequent 2D and 3D reformations can contribute in animal experiments and to the 3R concept in terms of reduction, refinement and replacement. Especially computed tomographic scans have a high value in the comprehensive analysis of animal experimental projects due to the short acquisition time. The low-risk imaging of the animal by CT and postprocessing of the acquired volume data sets make it possible to answer questions even far beyond the initial question. The habilitation thesis presented here demonstrates the value of CT for animal studies and especially in the areas of replacement, reduction and refinement according to the 3R principles of Russell and Burch: We could detect pulmonary changes on CT representing influence of non- physiological positioning on lung perfusion and ventilation (see page 13). Also we were able to image the reasons for limitations of veno-venous hemofiltration and present alternatives (see page 23). For refinement of the animal model "Minipig" the central vessels were measured in vivo by CT at different time points and then correlated to histology. For the first time a data pool was generated, which -without restriction of fixation and shrinkage- is comparable to what will be encountered during surgery or interventional procedures (see page 35). Furthermore, the influence of weight and growth on the vascular system of minipigs aged between 16-20 months could be relativized. The evaluation of a vein cuff, which has been tested according its position, function and biocompatibility, was done exclusively on CT data sets. With the help of CT most of the questions could be answered during the course of the trial without killing the animals. The aspect of reduction (less animals) was successfully implemented here (see page 40). Two aspects of physiological and pathophysiological changes were successfully represented by means of computed tomographic volume data sets : It has been shown that -and how- a complete occlusion of the aorta can be completely compensated without clinical symptoms in female domestic pigs due to specific collaterals (see page 51). Finally, the concept of the critical defect size was called into question observating bone defects in the mandible of minipigs. Different defect sizes far beyond the size considered as critical showed extensive new bone formation in CT and in volumetric assessment (see page 65). At the same time the limitations of an animal model and the consequences were addressed in this study. The knowledge gained here can be used to prevent experimental projects, as these data shows once again that a well-established animal models need to be examined further because of insufficient physiological description. Additionally, a pool of data acquired from all studies in domestic pigs and minipigs enables further evaluation with new questions and without further scans or measurements. For example, one given publication did not require any additional animal testing but was based on the existing data of the image archive. Questions on musculoskeletal system, maturation and growth, for example, can be answered or planned and optimized from such a data pool. Imaging techniques like CT provide a potential that goes far beyond answering the initial questions of a trial.