Functional and structural analysis approaches for translational lung disease research.
by Anzhelika Svetlova
Date of Examination:2024-02-13
Date of issue:2024-06-13
Advisor:Prof. Dr. Frauke Alves
Referee:Prof. Dr. Rabea Hinkel
Referee:Prof. Dr. Swen Hülsmann
Referee:PD Dr. Christian Dullin
Referee:Prof. Dr. Julia Herzen
Referee:Prof. Dr. Christine Stadelmann-Nessler
Referee:PD Dr. Laura Zelarayan-Behrend
Referee:Prof. Dr. Susann Boretius
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10493
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Format:PDF
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Abstract
English
Respiratory ailments continue to pose a formidable challenge to public health. The respiratory system is a delicate interplay of muscle contraction, pressure gradients and a large surface area with thin diffusion barriers that facilitate effective gas exchange. The dysfunction of this system manifests at different levels affecting both structural integrity and the functional outcome. While great efforts are made in uncovering pathomechanisms of common respiratory disorders, treatment options remain limited to cortical steroids and bronchio-dilators. There is a substantial gap in the interpretation and comparison of results between animal models and humans on both functional and structural levels. Lung function testing is performed using different methods with spirometry in humans and plethysmography or invasive ventilation in mice. To date, the measurement approach and the derived parameters from lung function testing have not been unified, therefore hindering translatability disease progression and therapeutic intervention results. On the struc- tural level, lung tissue from both humans and animals can be processed and imaged in the same way, nevertheless linking different imaging technologies together to derive combined information on cell populations, extracellular matrix and 3D arrangement of the tissue remains challenging. The work presented here contributes to solving the translatability in lung function testing and the effective merging of tissue imaging methods. In the first chapter I outline the sequential development of a novel non-invasive measurement system using principles of optical 3D computer vision. Retrospectively gated x-ray lung function (rgXLF) was established first utilising the penetrative properties of x-rays and excellent negative contrast of the air inside the lung. By analysing the diaphragm motion and the 3D anatomy of the thorax we showed that the expiration kinetics are significantly faster in the Duchenne muscular dystrophy mouse model due to diaphragm and spine remodelling. Guided by rgXLF results, and in an effort to eliminate repeated radiation exposure for the animals, the optical respiratory dynamics tracking (ORDT) system was established. ORDT is a simple optical observation of the abdomen and thorax expansion from a single camera view using physical paper markers attached to the body surface. Using ORDT we showed that the same fast expiration kinetic observed by rgXLF in Duchenne muscular dystrophy mice can be derived radiation free and at a better temporal resolution. The final development stage included a combination of stereovision, structured light and 3D reconstruction principles to generate a novel non-invasive radiation free optical lung function (OLF) measurement. OLF was tested in two mouse models; one for pulmonary fibrosis and another for acute allergic asthma. Using OLF we were able to reconstruct 4D surface dis- placement of breathing mice using low anaesthesia with brief exposure. This unique approach not only discerns substantial functional disparities in mice with pulmonary fibrosis and acute airway inflammation but furthermore surpasses the efficacy of established x-ray-based lung function techniques. Moreover, the obtained results demonstrate concordance with subsequent ex vivo analyses, including synchrotron radiation free propagation phase contrast micro computed tomography (SRμCT) and histological scoring. In the second chapter I describe my contribution to multimodal structural tissue imaging by the development of effective registration approaches. In the two step registration procedure a 2D imaging modality like histology and atomic force microscopy were aligned and deformed to fit the virtual cutting plane SRμCT volume. With this strategy we showed that features such as immune cells, nanoparticles and local stiffness, that could be observed only in one imaging modality, can now be merged into a single coordinate system and the 3D context of the SRμCT dataset. This allowed for a comprehensive view of tissue remodelling, as well as differentiation of chemically and genetically induced lung fibrosis mouse models. In summary, this work demonstrates the development of a novel non-invasive lung function measurement method and discusses its capacity to bridge the translational gap between clinical and preclinical studies. Additionally, by introducing an effective registration approach be- tween multiple imaging modalities such as SRμCT, immuno-/histochemistry and atomic force microscopy further potential to improve precise characterisation of tissue remodelling is discussed. As I navigate the complexities of lung diseases with my results, these pioneering methods have the potential to offer a more details view on pathomechanisms of lung disease and to reshape the land- scape of clinical diagnostics and preclinical treatment evaluation, offering a new perspective for both researchers in the biomedical field and patients with different lung diseases alike.
Keywords: lung function; asthma; pulmonary fibrosis; synchrotron radiation free propagation phase contrast micro tomography; translational approaches
German
Erkrankungen der Atemwege stellen nach wie vor eine große Herausforderung für die öffentliche Gesundheit dar. Das Atmungssystem ist ein empfindliches Zusammenspiel von Muskelkontraktion, Druckgradienten und einer großen Oberfläche mit dünnen Diffusionsbarrieren, die einen effektiven Gasaustausch ermöglichen. Die Dysfunktion dieses Systems manifestiert sich auf verschiedenen Ebenen und beeinträchtigt sowohl die strukturelle Integrität, als auch das funktionelle Ergebnis. Obwohl große Anstrengungen unternommen werden, um die Pathomechanismen häufiger Atemwegserkrankungen aufzudecken, beschränken sich die Behandlungsmöglichkeiten nach wie vor auf kortikale Steroide und Bronchiodilatatoren. Es besteht eine erhebliche Lücke bei der Interpretation und dem Vergleich der Ergebnisse von Tiermodellen und Menschen sowohl auf funktioneller als auch auf struktureller Ebene. Lungenfunktionstests werden mit unterschiedlichen Methoden durchgeführt: Spirometrie beim Menschen und Plethysmographie oder invasive Beatmung bei Mäusen. Bislang sind der Messansatz und die aus den Lungenfunktionstests abgeleiteten Parameter nicht einheitlich, was die Übertragbarkeit der präklinischen Ergebnisse auf den Krankheitsverlauf und die therapeutischen Maßnahmen beim Menschen behindert. Auf struktureller Ebene kann Lungengewebe von Mensch und Tier auf die gleiche Weise untersucht und abgebildet werden. Dennoch bleibt es eine Herausforderung, verschiedene Bildgebungstechnologien miteinander zu verknüpfen, um kombinierte Informationen über Zellpopulationen, extrazelluläre Matrix und 3D-Anordnung der Strukturen im Gewebe zu erhalten. Die hier vorgestellte Arbeit leistet einen Beitrag zur Lösung des Problems der Übertragbarkeit bei Lungenfunktionstests und der effektiven Zusammenführung von Gewebebildgebungsverfahren. Im ersten Kapitel wird die sequentielle Entwicklung eines neuartigen nicht-invasiven Messsystems unter Verwendung von Prinzipien der optischen 3D-Computer-Vision beschrieben. Die retrospektiv gesteuerte Röntgen-Lungenfunktion (rgXLF) wurde zunächst unter Ausnutzung der Durchdringungseigenschaften von Röntgenstrahlen und des hervorragenden Negativkontrastes der Luft in der Lunge entwickelt. Durch die Analyse der Zwerchfellbewegung und der 3D-Anatomie des Thorax konnten wir zeigen, dass die Ausatmungsphase im Duchenne-Mausmodell aufgrund des Umbaus von Zwerchfell und Wirbelsäule deutlich schneller als in gesunden Kontrollmäusen ist. Auf der Grundlage der rgXLF-Ergebnisse und in dem Bestreben, eine wiederholte Bestrahlung der Tiere zu vermeiden, wurde das ORDT-System (Optical Respiratory Dynamics Tracking) entwickelt. ORDT ist eine einfache optische Beobachtung der Ausdehnung von Abdomen und Thorax aus einer einzigen Kameraansicht unter Verwendung von Papiermarkern, die auf der Körperoberfläche angebracht sind. Mit ORDT konnten wir zeigen, dass die gleiche schnelle Ausatmungskinetik, die mit rgXLF im Duchenne-Muskeldystrophie-Mausmodell beobachtet wurde, strahlungsfrei und mit einer besseren zeitlichen Auflösung abgeleitet werden kann. Die letzte Entwicklungsphase umfasste eine Kombination aus Stereovision und 3D Rekonstruktionsprinzipien, um eine neuartige, nicht-invasive, strahlungsfreie optische Lungenfunktionsmessung (OLF) abzuleiten. OLF wurde in Mausmodellen für Lungenfibrose und akutes allergisches Asthma getestet. Mithilfe von OLF konnten wir die 4D-Oberflächenverschiebung von atmenden Mäusen unter geringer Narkose mit kurzer Exposition ableiten. Dieser einzigartige Ansatz zeigte nicht nur erhebliche funktionelle Unterschiede bei Mäusen mit Lungenfibrose und akuter Atemwegsentzündung, sondern übertraf auch die Genauigkeit etablierter röntgenbasierter Lungenfunktionsmesstechniken. Darüber hinaus stimmten die erzielten Ergebnisse mit nachfolgenden Ex-vivo-Analysen überein, einschließlich hochauflösender Phasenkontrast-CT und histologischer Auswertung. Im zweiten Kapitel beschreibe ich meinen Beitrag zur multimodalen strukturellen Gewebebildgebung durch das von mir entwickelte effektivere Registrierungsverfahren. In dieser zweistufigen Methode werden die Messungen zweidimensionaler Bildgebungsmodalitäten wie die Histologie oder die Rasterkraftmikroskopie so ausgerichtet und Deformierungen kompensiert, so dass sie in die virtuelle Schnittebene des 3D-Volumens der Synchrotronstrahlungs-Phasenkontrast-Mikro-Computertomographie (SRµCT) eingepasst werden kann. Mit diesem Ansatz konnte ich zeigen, dass Merkmale wie Lokalisierungen von Immunzellen und Nanopartikeln so wie die lokale Steifigkeit, die jeweils nur in einer der Bildgebungsmodalitäten beobachtet werden konnten, in ein einziges Koordinatensystem und in den 3D-Kontext des SRµCT-Datensatzes zusammengeführt werden konnten. Dies ermöglichte einen umfassenden Blick auf den Gewebeumbau und damit die Differenzierung zwischen chemisch und genetisch induzierter Lungenfibrose in Mausmodellen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit von mir entwickelte neuartige nicht-invasive Methode zur Messung der Lungenfunktion die Möglichkeit bietet die translationale Lücke zwischen klinischen und präklinischen Studien in Lungerkrankungen zu schließen. Darüber hinaus stelle ich einen effektiveren Registrierungsansatz vor und diskutiere sein Potenzial zur weiteren Verbesserung der multimodalen strukturellen Gewebeanalyse. Ich glaube, dass diese zwei neuen Methoden ein großes Potenzial haben zu einer Verbesserung der präklinischen Forschung in Lungenerkrankungen beizutragen, sowie in Zukunft zu einer Verfeinerung der klinischen Diagnostik zu führen.
Schlagwörter: lung function; asthma; pulmonary fibrosis; synchrotron radiation free propagation phase contrast micro tomography; translational approaches
