Klinik für Neurologie und Neurophysiologie

Die wissenschaftliche Arbeitsgruppe von Prof Dr. Andreas Harloff gehört zur Klinik für Neurologie und Neurophysiologie der Universitätsklinik sowie der Universität Freiburg.

Die Hauptziele unserer Forschung sind:

Biomarker und Bildgebung der Plaqueinstabilität. Zur Identifikation neuer Risikofaktoren für Plaqueprogression, -ruptur und zerebrale Embolisierung bei Karotis- und Aortenplaques nutzen wir hochauflösende 3D-MRT-Sequenzen zur Erfassung der individuellen Plaquezusammensetzung, Gefäßgeometrie und Blutströmung.

Therapieentscheidung bei Karotisstenosen. Zusätzlich zur Erfassung von ipsilateralen Symptomen und Stenosegrad soll das individuelle Rupturrisiko von Karotisstenosen mittels innovativer MRT- und Blutbiomarker beurteilt werden. Ziel ist eine randomisiert-kontrollierte Studie, bei der die Patienten unterstützt durch diese Biomarker operiert oder konservativ behandelt werden.

KI-gestützte Analyse der 3D-Blutströmung. Da die manuelle Auswertung von 4D Fluss-MRT-Daten zeitaufwendig ist, entwickeln wir eine automatisierte KI-basierte Analysepipeline. Anhand von Daten aus Chicago und Freiburg soll so die standardisierte Auswertung großer Kohorten, z. B. zur Erfassung von Wandscherkräften, ermöglicht werden.

Klinische Studien im INVAS – Netzwerks. Link Mit jährlich fast 10.000 Schlaganfallpatienten in 15 Akutkliniken (davon fast 1.000 Thrombolysen) bietet das INVAS-Netzwerk eine ideale Plattform für die Durchführung prospektive Studien zu neuen Akuttherapien.
 

Diese Hauptziele werden in den folgenden Forschungsprojekten verfolgt:

Analyse hämodynamischer Wandparameter mittels 4D-Fluss-MRT Link 
140 Patienten mit 20–80 %igen ACI-Stenosen werden mittels MRT, computational fluid dynamics (CFD) und Blutbiomarkern untersucht. Ziel ist es, Parameter zu identifizieren, die mit Ruptur-gefährdeten Plaques (AHA Typ VI) assoziiert sind oder die Progression im 2-Jahres-Follow-up vorhersagen.

Analyse der Karotisbifurkation mittels 3D-Software, CFD und Langzeit-Follow-up Link
In diesem Projekt werden multimodale MRT-Daten von Patienten mit ≤50 %igen ACI-Stenosen mithilfe einer Software zur Messung des Plaquevolumens, Bestimmung der AHA-Klassifikation und CFD-Analyse im 12-Monats-Follow-up ausgewertet. Zusätzlich ist ein Langzeit-Follow-up nach 7 Jahren geplant. 
Ziel ist die langfristige Charakterisierung biologischer Prozesse bei Arteriosklerose der Karotisbifurkation mittels neuer Biomarker. 

Automatisierte Auswertung von 3D-Blutströmung mittels KI
Die 4D-Fluss-MRT ermöglicht die in vivo-Messung der individuellen Blutströmung sowie bislang nicht erfassbarer Parameter wie der 3D-Wandscherkräfte und des Plaquedrucks. Aktuell ist die Auswertung aufwendig (manuelle Auswertung: 30–60 Minuten) und wenig standardisiert.
Ziel ist die Entwicklung einer automatisierten Analyse-Pipeline auf Basis von umfangreichem Trainingsdaten (manuelle Segmentierung von Aorta und Karotisbifurkation in Chicago und Freiburg) und künstlicher Intelligenz, um die 3D Strömungsanalyse schnell und reproduzierbar in künftigen multizentrischen Studien einzusetzen.

Klinische Schlaganfallforschung im interdisziplinären neurovaskulären Netzwerk (INVAS) 
Mit jährlich fast 10.000 Schlaganfallpatienten bietet das INVAS-Netzwerk ideale Voraussetzungen, um neue Diagnostikverfahren, Zuweisungswege und Therapien in einer einheitlichen Versorgungsstruktur zu erproben.
Zunächst sollen neue Therapien getestet und durch standardisierte Erfassung klinischer Parameter im Follow-up systematisch evaluiert werden.

Strecker C, Krafft AJ, Saam T, Huellebrand M, Ludwig U, Hennemuth A, Hennig J, Harloff A. High wall shear stress is related to complicated AHA lesion type VI plaques in mild to moderate internal carotid artery stenosis - a 3D cardiovascular MRI study. AJNR Am J Neuroradiol. 2024 Nov 15:ajnr.A8583. doi: 10.3174/ajnr.A8583. Epub ahead of print. PMID: 39547801.

Loose S, Solou D, Strecker C, Hennemuth A, Hüllebrand M, Grundmann S, Asmussen A, Treppner M, Urbach H, Harloff A. Characterization of aortic aging using 3D multi-parametric MRI-long-term follow-up in a population study. Sci Rep. 2023 Apr 18;13(1):6285. doi: 10.1038/s41598-023-33219-7. PMID: 37072440.

Mayerhofer E, Strecker C, Becker H, Georgakis MK, Uddin MM, Hoffmann MM, Nadarajah N, Meggendorfer M, Haferlach T, Rosand J, Natarajan P, Anderson CD, Harloff A, Hoermann G. Prevalence and Therapeutic Implications of Clonal Hematopoiesis of Indeterminate Potential in Young Patients With Stroke. Stroke. 2023 Apr;54(4):938-946. doi: 10.1161/STROKEAHA.122.041416. Epub 2023 Feb 15. PMID: 36789775.

Kopczak A, Schindler A, Sepp D, Bayer-Karpinska A, Malik R, Koch ML, Zeller J, Strecker C, Janowitz D, Wollenweber FA, Hempel JM, Boeckh-Behrens T, Cyran CC, Helck A, Harloff A, Ziemann U, Poli S, Poppert H, Saam T, Dichgans M. Complicated Carotid Artery Plaques and Risk of Recurrent Ischemic Stroke or TIA. J Am Coll Cardiol. 2022 Jun 7;79(22):2189-2199. doi: 10.1016/j.jacc.2022.03.376. Epub 2022 May 3. PMID: 35523659.

Strecker C, Krafft AJ, Kaufhold L, Hüllebrandt M, Treppner M, Ludwig U, Köber G, Hennemuth A, Hennig J, Harloff A. Carotid Geometry and Wall Shear Stress Independently Predict Increased Wall Thickness-A Longitudinal 3D MRI Study in High-Risk Patients. Front Cardiovasc Med. 2021 Oct 26;8:723860. doi: 10.3389/fcvm.2021.723860. PMID: 34765650.

Die vollständige Literaturliste finden Sie bei Pubmed.

Mitglieder

Prof. Dr. Andreas Harloff, Gruppenleiter
Dr. Christoph Strecker, Oberarzt Link
Dr. Jonathan Andrae, Assistenzarzt 
Demetris Solou, Doktorand 
Annika Gernsbeck, Doktorandin 
Frauke de Fries, Doktorandin 
Katharina Scheidtler, Doktorandin
Erik Schultz, Doktorand

Neurovascular Imaging Research Group

The research group of Prof. Dr. Andreas Harloff is part of the Department of Neurology and Neurophysiology of the University Hospital and the University of Freiburg. 

The primary objectives of our research are as follows:

Biomarkers and imaging of plaque instability. To identify new risk factors for plaque progression, rupture and cerebral embolization in carotid and aortic plaques, we use high-resolution 3D MRI sequences to record the individual plaque composition, vessel geometry and blood flow.

Treatment decision for carotid stenosis. In addition to recording ipsilateral symptoms and degree of stenosis, the individual risk of rupture of carotid stenoses is to be assessed using innovative MRI and blood biomarkers. The aim is to conduct a randomized controlled trial in which patients are operated on or treated conservatively with the help of these biomarkers.

AI-supported analysis of 3D blood flow. Since the manual analysis of 4D flow MRI data is time-consuming, we are developing an automated AI-based analysis pipeline. Using data from Chicago and Freiburg, the aim is to enable the standardized evaluation of large cohorts, e.g. to record wall forces.

Clinical studies in the INVAS network. Link With almost 10,000 stroke patients a year in 15 acute clinics (including almost 1,000 thrombolyses), the INVAS network offers an ideal platform for conducting prospective studies on new acute therapies.
 

These main objectives are being pursued in the following research projects:

Analysis of hemodynamic wall parameters using 4D flow MRI Link 
140 patients with 20-80% ACI stenoses will be analyzed using MRI, computational fluid dynamics (CFD) and blood biomarkers. 
The aim is to identify parameters that are associated with rupture-prone plaques (AHA type VI) or predict progression at 2-year follow-up.

Analysis of carotid bifurcation using 3D software, CFD and long-term follow-up Link
In this project, multimodal MRI data from patients with ≤50% ACI stenosis will be analyzed using software to measure plaque volume, determine AHA classification and CFD analysis at 12-month follow-up. In addition, a long-term follow-up after 7 years is planned. 
The aim is the long-term characterization of biological processes in arteriosclerosis of the carotid bifurcation using new biomarkers.

Automated evaluation of 3D blood flow using AI
4D flow MRI enables the in vivo measurement of individual blood flow as well as previously undetectable parameters such as 3D wall forces and plaque pressure. Currently, the evaluation is time-consuming (manual evaluation: 30-60 minutes) and not very standardized.
The aim is to develop an automated analysis pipeline based on extensive training data (manual segmentation of aorta and carotid bifurcation in Chicago and Freiburg) and artificial intelligence in order to use 3D flow analysis quickly and reproducibly in future multicenter studies.

Clinical stroke research in the interdisciplinary neurovascular network (INVAS) 
With almost 10,000 stroke patients a year, the INVAS network offers ideal conditions for testing new diagnostic procedures, referral paths and therapies in a standardized care structure.
Initially, new therapies are to be tested and systematically evaluated through standardized recording of clinical parameters in the follow-up.

Selected Publications

Strecker C, Krafft AJ, Saam T, Huellebrand M, Ludwig U, Hennemuth A, Hennig J, Harloff A. High wall shear stress is related to complicated AHA lesion type VI plaques in mild to moderate internal carotid artery stenosis - a 3D cardiovascular MRI study. AJNR Am J Neuroradiol. 2024 Nov 15:ajnr.A8583. doi: 10.3174/ajnr.A8583. Epub ahead of print. PMID: 39547801.

Loose S, Solou D, Strecker C, Hennemuth A, Hüllebrand M, Grundmann S, Asmussen A, Treppner M, Urbach H, Harloff A. Characterization of aortic aging using 3D multi-parametric MRI-long-term follow-up in a population study. Sci Rep. 2023 Apr 18;13(1):6285. doi: 10.1038/s41598-023-33219-7. PMID: 37072440.

Mayerhofer E, Strecker C, Becker H, Georgakis MK, Uddin MM, Hoffmann MM, Nadarajah N, Meggendorfer M, Haferlach T, Rosand J, Natarajan P, Anderson CD, Harloff A, Hoermann G. Prevalence and Therapeutic Implications of Clonal Hematopoiesis of Indeterminate Potential in Young Patients With Stroke. Stroke. 2023 Apr;54(4):938-946. doi: 10.1161/STROKEAHA.122.041416. Epub 2023 Feb 15. PMID: 36789775.

Kopczak A, Schindler A, Sepp D, Bayer-Karpinska A, Malik R, Koch ML, Zeller J, Strecker C, Janowitz D, Wollenweber FA, Hempel JM, Boeckh-Behrens T, Cyran CC, Helck A, Harloff A, Ziemann U, Poli S, Poppert H, Saam T, Dichgans M. Complicated Carotid Artery Plaques and Risk of Recurrent Ischemic Stroke or TIA. J Am Coll Cardiol. 2022 Jun 7;79(22):2189-2199. doi: 10.1016/j.jacc.2022.03.376. Epub 2022 May 3. PMID: 35523659.

Strecker C, Krafft AJ, Kaufhold L, Hüllebrandt M, Treppner M, Ludwig U, Köber G, Hennemuth A, Hennig J, Harloff A. Carotid Geometry and Wall Shear Stress Independently Predict Increased Wall Thickness-A Longitudinal 3D MRI Study in High-Risk Patients. Front Cardiovasc Med. 2021 Oct 26;8:723860. doi: 10.3389/fcvm.2021.723860. PMID: 34765650.

The complete publication list is to be found here: PubMed

Members

Prof. Dr. Andreas Harloff, Principal Investigator
Dr. Christoph Strecker, Senior Physician, Link
Dr. Jonathan Andrae, Resident 
Annika Gernsbeck, Doctoral student 
Frauke de Fries, Doctoral student 
Katharina Scheidtler, Doctoral student
Erik Schultz, Doctoral student
 

Collaborations

University Hospital Freiburg

• Neuroradiology: Hansjörg Mast, PD Dr. Theo Demerath, Dr. S. Elsheikh, Dr. Niklas Lützen, Prof. Dr. H. Urbach
• Nuclear Medicine: Prof. Dr. Dr. Philipp Meyer
• Clinical Radiology Medicine Physics: Dr. Ute Ludwig, Dr. Maxim Zaitsev
• Cardiology and Angiology: Prof. Dr. Sebastian Grundmann
• Cardiovascular Surgery:  Dr. Aleksandar Dimov, Dr. Matthias D`Inka, Dr. Stoyan Kondov, Prof. Dr. Martin Czerny
• General Pathology: Herr Konrad Kurowski, PD Dr. Peter Bronsert
• Institute for Clinical Chemistry and Laboratory Medicine: Dr. Christine Contini, Dr. Michael Hoffmann, Prof. Dr. Karl Winkler
• FREEZE Biobank: Prof. Dr. Alexandra Nieters 

Germany

• Hinrich Ch. Rahlfs, Dr. Markus Hüllebrand, Dr. Anja Hennemuth, Fraunhofer MEVIS Bremen
• Dr. Andreas Schindler, Clinic for Neuroradiology, LMU Munich
• PD Dr. Gregor Hörmann, Munich Leukemia Laboratory (MLL), PD Dr. Anna Kopczak, Institute for Stroke and Dementia Research (ISD), LMU Munich

International

• Ali Mokthari und Prof. Dr. Dominik Obrist, ARTORG Center, Universität Bern, Switzerland
• Prof. Dr. Michael Markl, Department of Radiology and Biomedical Engineering, Northwestern University, Chicago, USA
• Prof. Dr. Christopher D. Anderson, Harvard Medical School, Division of Stroke and Cerebrovascular Diseases, Brigham and Women`s Hospital, Boston, USA
   

Funding

German Research Foundation (DFG)                             Berta-Ottenstein Program                       Freiburger Wissenschaftliche Gesellschaft