Histologie

Vorbereitung einer histologischen Untersuchung im Labor

Die Histologie (von altgriechisch ἱστός histos, deutsch ‚Gewebe‘ und -logie, griechisch λόγος logos „Lehre“) oder Gewebelehre ist die Wissenschaft von den biologischen Geweben. Als „Lehre von Bildung und Struktur pflanzlicher und tierischer Gewebe in Bezug auf spezifische Funktionen“ ist sie ein Teilgebiet der Medizin und der Biologie. Im weiteren Sinn bezeichnet Histologie die mikroskopische Anatomie. Die Histopathologie ist die Wissenschaft von den krankhaften Gewebeveränderungen.

In der Histologie werden Gewebeproben untersucht. Dazu werden mikrometerdünne, gefärbte Gewebsschnitte hergestellt und am Lichtmikroskop beurteilt. Die elektronenmikroskopische Untersuchung von wesentlich dünneren Schnitten (0,01–0,5 µm) fällt vorwiegend in den Forschungsbereich.

Die feingeweblichen Untersuchungen in der Medizin dienen verschiedenen Zwecken: Frühdiagnose von Tumoren (z. B. Magenbiopsie), Klassifizierung von Tumoren (gutartig/bösartig), Nachweis von Stoffwechselerkrankungen und parasitären, bakteriellen, entzündlichen Erkrankungen, Hilfe zur Therapiewahl und vieles mehr. Man spricht von morphologischer Diagnostik, da der Befund anhand des Erscheinungsbildes und des färberischen Verhaltens der Gewebestrukturen erstellt wird.

Zum Probengut beim histologischen Arbeiten gehören Operationspräparate (z. B. Magen, Darm, Niere), Probeexzisionen (z. B. Muttermal, Sehnen, Zysten) und Biopsien (z. B. Magen-, Darm-, Brustgewebe-Biopsien). Mit Hilfe der modernen Technik lassen sich schon an winzigen Gewebestückchen (1–2 mm) feingewebliche Diagnosen erstellen. Diese mikroinvasiven Methoden sind für die Patienten schonend und werden oft bei Vorsorgeuntersuchungen durchgeführt.

Histologischer Schnitt einer Lunge, Lungenpest

Geschichte

Entwicklung der Färbetechniken

Marcello Malpighi (1628–1694) gehörte zu den Ersten, die tierische Organe und Pflanzen mikroskopisch untersuchten. Gefördert war die mikroskopische Anatomie durch die Arbeit (etwa mit Infusionstierchen) durch Antoni van Leeuwenhoek[2] worden. Henri Louis Duhamel du Monceau (1700–1782) stellte fest, dass Tierknochen sich mit dem Farbstoff Krapp aus der Färberkrappflanze (Rubia tinctorum) anfärben lassen. Die Entwicklung von Färbemethoden war entscheidend für die Weiterentwicklung der Histologie, da die natürlichen Präparate weitgehend farblos waren bzw. die optische Dichte der zu untersuchenden Gewebestrukturen meist keine großen Unterschiede aufweist.[3] Christian Gottfried Ehrenberg benutzte 1838 Karmin zur Anfärbung und mikroskopischen Beobachtung von Protisten (die damals Infusorien genannt wurden). 1849 studierten Heinrich Göppert und Ferdinand Julius Cohn mittels der Farbstoffe Krapp und Karmin die Protoplasmaströmung in Pflanzenzellen. Um 1855 entwickelte der Anatom Joseph von Gerlach die histologischen Färbetechniken weiter.[4][5] Er beschrieb die Färbung von Zellkernen in tierischen Zellen mittels Karmin.

Heinrich Wilhelm Waldeyer verwendete 1863 einen Extrakt des Blutholzbaumes (Haematoxylum campechianum) für die Hämatoxylinfärbung von Nervenzellen. Ein weiterer wichtiger Schritt war der Einsatz von Anilinfarbstoffen durch Paul Ehrlich; er perfektionierte diese Möglichkeiten in den Jahren 1879 bis 1894.[6]

Entstehung der Histologie

Als Begründer der Histologie gilt Xavier Bichat (1771–1802), der ohne das im 17. Jahrhundert bereits allgemein bekannte Mikroskop 21 Gewebetypen im menschlichen Körper beschrieb. Die Entstehung der Histopathologie schreibt man Johannes Müller (1801–1858) zu, der 1838 ein Buch über die Natur und Struktureigenschaften von Krebs veröffentlichte. Als Vater der Histopathologie wird Rudolf Virchow (1821–1902) bezeichnet.

Der Begriff Histologie wurde im Jahre 1819 vom Anatomen Franz Josef Carl Mayer (1787–1865)[7] umschrieben und als ein Teilgebiet der Anatomie angesehen. 1830 prägten Vincent Jaques Louis Chevalier (1770–1841) und sein Sohn Charles Louis Chevalier (1804–1859) die Bezeichnung Mikrotom für Gewebeschnittgeräte. Ihre Firma fertigte seit 1765 in Paris wissenschaftliche Instrumente.[8]

Digitale Histologie

Objektträger können vollständig in sogenannten Whole Slide Images (WSI) digitalisiert werden. Diese WSI können dann mit Kollegen geteilt, von Algorithmen ausgewertet oder beispielsweise für Lehrzwecke im Web gehostet werden. Ein Beispiel für ein solches Projekt ist Pathorama, preci.cloud[9] oder Cytomine.

Histologische Technik

Bevor die feingeweblichen Details einer Patientenprobe oder eines Experimentes begutachtet werden können, muss das Gewebe einer ausführlichen Verarbeitung unterzogen werden. Diese Methoden werden als histologische Technik zusammengefasst und im histologischen Labor größtenteils von biomedizinischen Analytikern bzw. (V)MTAs durchgeführt.

Die Gewebeverarbeitung im histodiagnostischen Labor umfasst:

  • Fixierung zur Stabilisierung des Gewebes (Hauptfixans: 4 % neutral gepufferte Formaldehydlösung)
  • makroskopische Begutachtung, Zuschnitt der aussagekräftigen Gewebebezirke. In der Pathologie ärztliche Tätigkeit und zum diagnostischen Prozess gehörend.
  • Entwässerung und Imprägnierung des Gewebes mit flüssigem Paraffin
  • Einblocken des Gewebes in Paraffin: ein Paraffinquader wird hergestellt, der das Gewebe beinhaltet.
  • In modernen Histologielaboren werden die Gewebsstückchen in sogenannte „Einbettkassetten“ gelegt. In diesen durchläuft die Gewebeprobe die Entwässerung und Einparaffinierung. Danach dient die Kassette als Blockunterlage und kann so in den sogenannten Schnellspannrahmen, mit dem die meisten heutigen Mikrotome versehen sind, eingespannt werden.
  • Herstellung von 2–5 µm dicken Schnitten am Mikrotom
  • Aufziehen der Schnitte auf (beschichtete) Glasobjektträger
  • histologische Färbetechniken

Die Verarbeitung von Formaldehyd-fixiertem, Paraffin-eingebettetem Gewebe inklusive der Hämatoxylin-Eosin-Färbung stellt die weltweite Routine-Methode der Pathologie dar und dauert durchschnittlich ein bis zwei Tage von der Probenannahme bis zur Befundung. Im Gegensatz zum klinisch-chemischen Labor sind viele Arbeitsschritte von Hand durchzuführen. Besonders die Schnittherstellung am Mikrotom bedarf großen Geschicks.

Schnellschnittuntersuchung

Bei manchen Operationen benötigt der Chirurg noch während der Operation Informationen über das entnommene Gewebe für seine weitere Vorgehensweise. In diesem Fall kann ein Teil der Probe innerhalb von etwa zehn Minuten als Schnellschnitt verarbeitet werden:

  • Gewebestabilisierung durch Gefrieren (etwa −20 °C), je nach Gewebeart
  • Herstellen eines 5–10 µm dicken Schnittes mit einem Kryostat-Mikrotom
  • Aufziehen des Schnittes auf einen beschichteten Glasobjektträger
  • Färben mittels Schnell-HE-Färbung, Paragon-Färbung oder einer anderen Schnellfärbung
  • mikroskopische Befundung

Färbemethoden der Histologie

Es gibt eine Unzahl verschiedener histologischer Färbungen, die im Laufe der letzten 120 Jahre entwickelt wurden. Der Großteil stammt aus den ersten 30 Jahren des vorigen Jahrhunderts. Im modernen Histolabor hat sich eine überschaubare Anzahl an Färbungen durchgesetzt. An erster Stelle steht die Hämatoxylin-Eosin-Färbung (HE-Färbung) als Routine- und Übersichtsfärbung. Dafür werden meist computergesteuerte Färbeautomaten eingesetzt. Daneben werden für bestimmte Fragestellungen sogenannte Spezialfärbungen (meist von Hand) durchgeführt.

Die Färbetheorie der biologischen Färbungen begründet sich meist in der Reaktionsfähigkeit bestimmter Gewebestrukturen auf bestimmte Farbstoffe. Man klassifiziert die Zellstrukturen und Gewebe anhand des Färbeverhaltens durch die Farbstoffe in basophile, azidophile und neutrophile Strukturen.

Analysierte man den Färbevorgang histochemisch, zeigte sich ein kompliziertes Bild physikalisch-chemischer Prozesse, bestehend aus physikalischen Vorgängen wie der Diffusion, Elektroadsorption und Grenzflächenadsorption, aus den oben beschrieben chemischen Vorgängen hinsichtlich Ladungsverteilungen im Farbstoffmolekül (siehe auch Lewis-Säure-Base-Konzept) und an den histologischen Strukturen.

Die Hauptbindungskraft ist die Ionenbindung (saure Farbstoffe werden an basische Proteine gebunden). Bei histochemischen Methoden entwickelt sich ein Farbstoff erst durch die Reaktion mit einem Gewebeinhaltsstoff (z. B. Berliner-Blau-Reaktion, Perjodacid-Schiffsche Reaktion). Des Weiteren gibt es noch enzymhistochemische Methoden, bei denen die Aktivität zelleigener Enzyme eine Farbentwicklung bewirkt.

Diese klassische Histochemie wird seit den 1980er Jahren durch die Immunhistochemie ergänzt. Hier beruht der Nachweis von „Zelleigenschaften“ auf einer Antigen-Antikörper-Reaktion. In einer Mehr-Schritt-Technik wird die Reaktion durch eine Farbreaktion am Ort des Antigens (Proteins) sichtbar.

Seit den 1990er Jahren findet die In-situ-Hybridisierung Eingang in die histologische Diagnostik. Hier beruht der Nachweis bestimmter Nukleotidsequenzen auf der Aufschmelzung doppelsträngiger DNA und der spontanen Anlagerung von Einzelsträngen (DNA oder RNA). Die Nukleinsäure-Sequenzen werden mit Hilfe von Sonden dargestellt. Sind diese Sonden mit Fluorochromen markiert, spricht man von Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH).

Mit diesen Methoden hat ein neuer Abschnitt der Histodiagnostik begonnen.

Histologischer Schnitt glatter Muskulatur (HE)
Getrockneter Knochen, Fuchsin

Übliche Färbemethoden sind:

Gewebearten

Literatur

  • Hans-Christian Burck: Histologische Technik. Thieme-Verlag, Stuttgart, ISBN 3-13-314306-9.
  • Renate Lüllmann-Rauch: Taschenlehrbuch Histologie. 2. Auflage. Thieme Verlag, Stuttgart, ISBN 3-13-129242-3.
  • Benno Romeis: Mikroskopische Technik, 16. Auflage 1968. Verlag R. Oldenbourg, München.
  • Peter Stanka: Zellen und Gewebe des Menschen. Basistext zur Histologie für Mediziner. 4. Auflage 1990, Bochum, Verlag N. Brockmeyer. ISBN 3-88339-785-7.
  • Schiebler: Histologie. Springer-Verlag.
  • H. Leonhardt: Histologie, Zytologie und Mikroanatomie des Menschen. Thieme-Verlag, Stuttgart.
  • W. Kühnel: Taschenatlas der Zytologie, Histologie und mikroskopischen Anatomie. Thieme-Verlag, Stuttgart.
  • U. Welsch: Lehrbuch Histologie.
  • U. Welsch: Atlas Histologie.
  • Werner Tackmann: Repetitorium der Histologie, Teil 1 Zell- und Gewebelehre. 1999, ISBN 3-932723-00-7; 'Teil 2 Organe und Systeme. 1999, ISBN 3-932723-01-5.
  • N. Ulfig: Kurzlehrbuch Histologie. 2. Auflage, Thieme Verlag, Stuttgart, ISBN 3-13-135572-7.
  • J.A. Kiernan: Histological and histochemical Methods. Arnold, 1999, ISBN 0-7506-4936-4.
  • Gudrun Lang: Histotechnik. Springer, Wien/New York 2006, ISBN 3-211-33141-7.
  • M. Hartmann, M.A. Pabst: Zytologie, Histologie und Mikroskopische Anatomie. Facultas Verlag, 2009, ISBN 978-3-7089-0348-4.
  • Georg Dhom: Geschichte der Histopathologie. Springer, Berlin 2001.
  • Kristian Bosselmann-Cyran: Färbemethoden. In: Werner E. Gerabek, Bernhard D. Haage, Gundolf Keil, Wolfgang Wegner (Hrsg.): Enzyklopädie Medizingeschichte. De Gruyter, Berlin/ New York 2005, ISBN 3-11-015714-4, S. 389 f.

Weblinks

Einzelnachweise

  1. ↑ Rainer Brömer: Histologie. In: Werner E. Gerabek, Bernhard D. Haage, Gundolf Keil, Wolfgang Wegner (Hrsg.): Enzyklopädie Medizingeschichte. De Gruyter, Berlin/New York 2005, ISBN 3-11-015714-4, S. 605 f., hier: S. 605.
  2. ↑ Paul Diepgen, Heinz Goerke: Aschoff: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin. 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 24.
  3. ↑ Kristian Bosselmann-Cyran: Färbemethoden. 2005, S. 389.
  4. ↑ Dieter Gerlach (Hrsg.): Die Anfänge der histologischen Färbung und der Mikrophotographie Josef von Gerlach als Wegbereiter. Harri Deutsch, 1998.
  5. ↑ Die Entwicklung der histologischen Färbetechnik. CibaZeitschrift, Basel 1943, Jhrg. Nr. 88, S. 3074 ff. (PDF; 2,4 MB).
  6. ↑ Die Entwicklung der histologischen Färbetechnik. CibaZeitschrift, Basel 1943, Jhrg. Nr. 88, S. 3074 (PDF; 2,4 MB).
  7. ↑ August Franz Josef Karl Mayer: Ueber Histologie und eine neue Eintheilung der Gewebe des menschlichen Körpers. Bonn 1819.
  8. ↑ Historische Mikroskope.
  9. ↑ Centralize your research workflow | PreciCloud. Abgerufen am 6. September 2018 (englisch).