An example of in situ ductile damage analysis by tracking algorithm

International audienceDamage evolution in ductile metals is characterized by the nucleation, growth and coalescence of small internal voids. Many laws and studies have been developed to understand and predict damage. Numerical modeling, based on full field microstructure acquisition have proven also to be quite efficient. Real microstructure input are of utmost importance as some studies have shown that the deviation from the average behavior for voids growth can be huge and therefore allows a single cavity to drive the damage behavior and lead to failure. We develop the dedicated tool to analyze individually voids during in situ test and use results as input for numerical simulations

Analyse der Aktivierung des angeborenen Immunsystems durch Candida spp. mittels Lebendzellmikroskopie

Candida albicans und Candida glabrata sind die beiden wichtigsten Erreger von invasiven Infektionen im Genus Candida. Obwohl beide Spezies derselben Gattung angehören, unterscheiden sich ihre Virulenzmechanismen erheblich. Ziel dieser Arbeit war es, mit Hilfe der Lebendzellmikroskopie zeitaufgelöste Aufnahmen zu generieren, die eine detaillierte Untersuchung der Aktivierung von humanen neutrophilen Granulozyten (PMN) durch die beiden Arten erlauben. Es konnte gezeigt werden, dass C. albicans eine signifikant stärkere PMN-Aktivierung induziert als C. glabrata. Dennoch genügte die moderate Aktivierung der PMN, um phagozytierte C. glabrata effektiver abzutöten als C. albicans. Lebendzellmikroskopisch konnte belegt werden, dass C. albicans signifikant häufiger phagozytiert wurde als C. glabrata. Dies war nicht auf den fehlenden Kontakt zwischen den Immunzellen und C. glabrata zurückzuführen, sondern auf eine geringere Phagozytose-Effektivität der PMN nach Kontakt mit dem Pilz. Neben der gesteigerten Phagozytose-Rate induzierte C. albicans auch eine höhere Motilität der PMN als C. glabrata. Dies ist unter anderem auf eine stärkere Sekretion von PMN Chemoattraktoren wie IL-8 und GROα zurückzuführen. Die Konfrontation von PMN mit C. glabrata führte dahingegen zur Sekretion eines Zytokinprofils, das auf eine mögliche Involvierung von Monozyten in der Abwehr von C. glabrata Infektionen hindeutet. Zusammenfassend hat diese Arbeit durch die Etablierung der Lebendzellmikroskopie zu einem besseren Verständnis der Interaktion zwischen PMN und den beiden Candida spp. beigetragen. Durch die Entwicklung einer vollautomatisierten PMN Trackingmethode wurde ein wichtiger Grundstein für die zukünftige Etablierung einer vollautomatisierten Bildanalyse der Pathogen-Wirt-Interaktion gelegt

Characterizing innate immune cell activation by fungal pathogens

Candida albicans (C. albicans) and Candida glabrata (C. glabrata) are the two most prevalent Candida species causing bloodstream infections. Isolated NK cells get stronger activated by C. albicans than C. glabrata. In contrast, activation of blood NK cells was more pronounced during C. glabrata infection. NK cell activation in blood is mediated by humoral mediators released by other immune cells and does not depend on direct activation by fungal cells. Cross-talk between Candida-confronted monocyte-derived dendritic cells (moDC) and NK cells resulted in the same NK activation phenotype like NK cells in human blood. Blocking experiments and cytokine substitution identified interleukin 12 as a critical mediator in regulation of primary NK cells by moDC-derived cytokines. On the other hand, we focused on the identification of changes in polymorphonuclear cells (PMN) behavior induced by C. albicans and C. glabrata since these immune cells are of outstanding importance in the response against invasive Candida infections. Sorting and extraction of PMN were performed after a one-hour confrontation in human whole blood in presence of fungal cells. Then, infected isolated PMN were used for separate analysis in live cell imaging experiments to visualize their dynamic features in comparison to mock-infected PMN. PMN in the acquired microscopic images were analyzed using a migration and interaction tracking algorithm and further classified using different morphokinetics features. Compared to mock-treated PMN, PMN isolated from whole-blood infected with either C. albicans or C. glabrata presented a higher percentage of PMN with a spreading morphology. Furthermore, C. glabrata presented a significantly higher number of cells with a spreading morphology compared to C. albicans. Combination of live cell imaging with automated analysis allowed a classification and distinction of PMN isolated from mock-infected blood and Candida-infected blood based on their morphology

Quantitative automated analysis of host-pathogen interactions

This work aims to broaden knowledge about neutrophil biology in their interaction with fungi species that most frequently cause invasive fungal diseases (IFD). The questions addressed include the alteration of neutrophil morphology after interaction with Candida albicans or C. glabrata, revealing factors that modulate the production and composition of neutrophil-derived extracellular vesicles (EVs) obtained in confrontation assay with conidia of Aspergillus fumigatus and analysing EVs activity against this fungus. Alongside fundamental interests, those questions have important applied aspects in the medicine of IFD. In particular, for diagnostic purposes and infection process monitoring. The results of this work include: 1 a novel segmentation and tracking algorithm which is capable of working with low-contrast cell images, producing accurate cell contours and providing data about positions of clusters, which would improve further analysis; 2 a novel workflow algorithm for analysis of neutrophil continuous morphological spectrum without consensus-based manual annotation; 3 quantitative evidence that morphodynamics of isolated neutrophils depends on the infectious agent (C. albicans or C. glabrata) used in whole blood infection assay; 4 quantitative evidence that neutrophil-derived extracellular vesicles, obtained in confrontation assays with conidia of A. fumigatus could inhibit hyphae development and damage hyphae cell wall; 5 quantitative evidence that EVs inhibition activity is strain-specific

Individual-based modeling and predictive simulation of fungal infection dynamics

The human-pathogenic fungus Aspergillus fumigatus causes life-threatening infections in immunocompromised patients and poses increasing challenges for the modern medicine. A. fumigatus is ubiquitously present and disseminates via small conidia over the air of the athmosphere. Each human inhales several hundreds to thousands of conidia every day. The small size of conidia allows them to pass into the alveoli of the lung, where primary infections with A. fumigatus are typically observed. In alveoli, the interaction between fungi and the innate immune system of the host takes place. This interaction is the core topic of this thesis and covered by mathematical modeling and computer simulations. Since in vivo laboratory studies of A. fumigatus infections under physiological conditions is hard to realize a modular software framework was developed and implemented, which allows for spatio-temporal agent-based modeling and simulation. A to-scale A. fumigatus infection model in a typical human alveolus was developed in order to simulate and analyze the infection scenario under physiological conditions. The process of conidial discovery by alveolar macrophages was modeled and simulated with different migration modes and different parameter configurations. It could be shown that chemotactic migration was required to find the pathogen before the onset of germination. A second model took advantage of evolutionary game theory on graphs. Here, the course of infection was modeled as a consecutive sequence of evolutionary games related to the complement system, alveolar macrophages and polymorphonuclear neutrophilic granulocytes. The results revealed a central immunoregulatory role of alveolar macrophages. In the case of high infectious doses it was found that the host required fully active phagocytes, but in particular a qualitative response of quantitatively sufficient polymorphonuclear neutrophilic granulocytes.Der human-pathogene Schimmelpilz Aspergillus fumigatus verursacht tödliche Infektionen und Erkrankungen vorrangig bei immunsupprimierten Patienten und stellt die moderne Medizin vor zunehmende Herausforderungen. A. fumigatus ist ubiquitär präsent und verbreitet sich über sehr kleine Konidien durch Luftströmungen in der Athmosphäre. Mehrere Hundert bis Tausende dieser Konidien werden täglich durch jeden Menschen eingeatmet. Die geringe Größe der infektiösen Konidien erlauben es dem Pilz bis in die Alveolen der Lunge des Wirtes vorzudringen,in denen eine Primärinfektionen mit A. fumigatus am häufigsten stattfindet. Die Alveolen sind der zentrale Schauplatz der Interaktion zwischen dem Pilz und dem angeborenen Immunsystem, welche Gegenstand dieser Arbeit ist. Diese Interaktion wird mit Hilfe von mathematischen Modellen und Computersimulationen nachgestellt und untersucht, da eine A. fumigatus Infektion im Nasslabor in vivo unter physiologischen Bedingungen nur sehr schwer realisiert werden kann. Als Grundlage für dieses Vorhaben wurde ein modulares Software-Paket entwickelt, welches agentenbasierte Modellierung und entsprechende Simulationen in Raum und Zeit ermöglicht. Ein maßstabsgetreues mathematisches Infektionsmodell in einer typischen menschlichen Alveole wurde entwickelt und die Suchstrategien von Alveolarmakrophagen unter der Berücksichtigung verschiedener Parameter wie Migrationsgeschwindigkeit, dem Vorhandensein von Chemokinen, dessen Diffusion und Chemotaxis untersucht. Es zeigte sich, dass Chemotaxis, notwendig ist, um die Konidie rechtzeitig finden zu können. In einem weiteren Modell, welches auf das Konzept evolutionärer Spieltheorie auf Graphen zurückgegriff, wurde der Infektionsverlauf als aufeinanderfolgende Serie evolutionärer Spiele mit dem Komplementsystem, Alveolarmakrophagen und Neutrophilen nachgestellt. Aus den Simulationsergebnissen konnte eine zentrale immunregulatorische Rolle von Alveolarmakrophagen entnommen werden

Neutrophil function in chronic inflammatory disease states

Inflammation is a central component of the immune response. In its acute form it aids the transition from disease to health via the activation of numerous immune cells, enabling them to reach the site of infection/injury and orchestrate themselves to combat pathogens, facilitating resolution and repair to restore the host to health. However, chronic inflammation is deleterious to the host and differs from the “classical” acute inflammatory process in that the inflammation is not necessarily so readily obvious and is not self-limiting; rather, the immune system is in a constant state of low-grade activation and when challenged by pathogenic or sterile injury the response is heightened, resulting in prolonged tissue damage and a failure of efficient resolution mechanisms. Neutrophils are important mediators of acquired innate immune responses but may also contribute to the pathogenesis of chronic inflammatory diseases. Neutrophils are heavily involved in antimicrobial defence; their primary role is the localisation and elimination of pathogenic microorganisms. This, combined with their relatively short lifespan, has resulted in a traditional view of them as limited “kamikaze” cells. However, as detailed here, neutrophils have been shown to act with complexity and sophistication, orchestrating the immune/inflammatory response but also inadvertently contributing to tissue damage in different disease states. This thesis includes the study of neutrophil function in acute inflammatory episodes such as gingivitis and more chronic long-term health conditions such as obesity, chronic periodontitis and Papillon-Lefèvre Syndrome. The findings outlined here support the role of neutrophils as important contributors to both acute and chronic disease, showing these cells to be far more sophisticated than previously regarded

Agent-based modelling of the spatio-temporal interaction between immune cells and human-pathogenic fungi

Human-pathogene Pilze stellen aufgrund der zunehmenden Anzahl von immungeschwächten Patienten ein zunehmendes Problem im Gesundheitswesen dar und sind mit hohen Sterblichkeitsraten assoziiert. Das menschliche Immunsystem ein hochkomplexes System stellt ein Arsenal an Effektormechanismen bereit, die den gesunden Zustand des Wirts schützen. Vielfältige Ursachen können jedoch diese schützende Funktion des Immunsystems beeinträchtigen, was es eindringenden Mikroben erlaubt, schwere Infektionen zu verursachen. Die Forschung an Wirt-Pathogen-Interaktionen zwischen humanpathogenen Pilzen und dem Immunsystem ist essentiell für die Entwicklung neuer diagnostischer und therapeutischer Verfahren. In dieser Arbeit wurden diese Wirt-Pathogen-Interaktionen entsprechend des Konzepts der Systembiologie, untersucht. Basierend auf experimentellen Daten wurden virtuelle Infektionsmodelle entwickelt, um die treibenden Kräfte der angeborenen Immunantwort gegen die pilzlichen Erreger Candida albicans, Candida glabrata und Aspergillus fumigatus zu entschlüsseln. ..