CORD-STEM CELL APPLICATION FOR REGENERATION ENHANCEMENT IN PORCINE MODEL

Master'sMASTER OF SCIENC

Semiautomated 3D liver segmentation using computed tomography and magnetic resonance imaging

Le foie est un organe vital ayant une capacité de régénération exceptionnelle et un rôle crucial dans le fonctionnement de l’organisme. L’évaluation du volume du foie est un outil important pouvant être utilisé comme marqueur biologique de sévérité de maladies hépatiques. La volumétrie du foie est indiquée avant les hépatectomies majeures, l’embolisation de la veine porte et la transplantation. La méthode la plus répandue sur la base d'examens de tomodensitométrie (TDM) et d'imagerie par résonance magnétique (IRM) consiste à délimiter le contour du foie sur plusieurs coupes consécutives, un processus appelé la «segmentation». Nous présentons la conception et la stratégie de validation pour une méthode de segmentation semi-automatisée développée à notre institution. Notre méthode représente une approche basée sur un modèle utilisant l’interpolation variationnelle de forme ainsi que l’optimisation de maillages de Laplace. La méthode a été conçue afin d’être compatible avec la TDM ainsi que l' IRM. Nous avons évalué la répétabilité, la fiabilité ainsi que l’efficacité de notre méthode semi-automatisée de segmentation avec deux études transversales conçues rétrospectivement. Les résultats de nos études de validation suggèrent que la méthode de segmentation confère une fiabilité et répétabilité comparables à la segmentation manuelle. De plus, cette méthode diminue de façon significative le temps d’interaction, la rendant ainsi adaptée à la pratique clinique courante. D’autres études pourraient incorporer la volumétrie afin de déterminer des marqueurs biologiques de maladie hépatique basés sur le volume tels que la présence de stéatose, de fer, ou encore la mesure de fibrose par unité de volume.The liver is a vital abdominal organ known for its remarkable regenerative capacity and fundamental role in organism viability. Assessment of liver volume is an important tool which physicians use as a biomarker of disease severity. Liver volumetry is clinically indicated prior to major hepatectomy, portal vein embolization and transplantation. The most popular method to determine liver volume from computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI) examinations involves contouring the liver on consecutive imaging slices, a process called “segmentation”. Segmentation can be performed either manually or in an automated fashion. We present the design concept and validation strategy for an innovative semiautomated liver segmentation method developed at our institution. Our method represents a model-based approach using variational shape interpolation and Laplacian mesh optimization techniques. It is independent of training data, requires limited user interactions and is robust to a variety of pathological cases. Further, it was designed for compatibility with both CT and MRI examinations. We evaluated the repeatability, agreement and efficiency of our semiautomated method in two retrospective cross-sectional studies. The results of our validation studies suggest that semiautomated liver segmentation can provide strong agreement and repeatability when compared to manual segmentation. Further, segmentation automation significantly shortens interaction time, thus making it suitable for daily clinical practice. Future studies may incorporate liver volumetry to determine volume-averaged biomarkers of liver disease, such as such as fat, iron or fibrosis measurements per unit volume. Segmental volumetry could also be assessed based on subsegmentation of vascular anatomy

Assessment of morphological and functional properties of the genitourinary system using high resolution MRI

Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung und Darstellbarkeit einzelner Kompartimente des Urogenitaltrakts mittels hochaufgelöster Magnetresonanztomografie (MRT). Im Kontext der Schließmuskelregeneration wurde mit Hilfe der MRT der urethrale Schließmuskel eines Tiermodells visualisiert, wodurch im zeitlichen Verlauf die Lokalisierung und Anpassungsfähigkeit des Muskelgewebes nach Injektion von markierten Stammzellen untersucht werden konnte. Hierfür wurde eine robuste, sensitive und nicht-invasive Methode angewendet, um ein essentielles Verständnis der biologischen Effekte im Sphinkter zu erhalten und somit neue zellbasierte Therapien zu entwickeln. Zur Untersuchung weiterer Kompartimente des Urogenitaltrakts wurden die renalen Strukturen Cortex, Medulla und Pelvis ohne die Verwendung von Kontrastmittel anhand hochauflösender MR-Methoden im Probanden evaluiert. Unter Zuhilfenahme optimierter MR-Sequenzen konnten die einzelnen Kompartimente klar strukturiert und durch einen selbstentwickelten automatischen Algorithmus segmentiert werden. Im Vergleich zur manuellen Segmentierung zeigten die berechneten Koeffizienten eine hohe Übereinstimmung zur automatischen Segmentierung der gesamten Nierenregion. Zusätzlich wurde durch den vorgestellten Algorithmus sowohl die Medulla als auch das Nierenbecken automatisch segmentiert. Bisher sind keine Ansätze aus der Literatur bekannt, die das Nierenbecken aus nativen MR-Bildern segmentierten und evaluierten. Die Kombination aus optimierten MR-Bildern, Bildregistrierung und automatischer Segmentierung liefert zuverlässige und wiederholbare Ergebnisse der Volumenbestimmung der gesamten Niere und der renalen Strukturen ohne Zuhilfenahme von Kontrastmittel. Bei einer möglichen Übertragung des entwickelten Algorithmus in die klinische Routine eröffnen sich neue nicht-invasive Möglichkeiten zur Bewertung und Überwachung morphologischer Veränderungen. Zur weiteren Anwendung wurden die segmentierten Areale auf entzerrungskorrigierte funktionelle Diffusionsdatensätze überlagert, um eine regionenbasierte Darstellung der fraktionellen Anisotropie (FA) und der mittleren Diffusivität (MD) zu erhalten. Die Durchführung der Verzerrungskorrektur wurde anhand der „reversed gradient“ Methode verwirklicht. Die erfolgreiche Verzerrungskorrektur konnte durch einen Vergleich der manuellen Segmentierung der MD Karten und den automatisch generierten Masken aus den Anatomiedatensätzen dargelegt werden. Die manuelle Segmentierung ist sehr zeitaufwändig und auf Grund der unscharfen Außenkontur der Niere in den MD Karten äußerst schwierig zu realisieren. Daher erbringt die Fusion von hochaufgelösten, anatomisch segmentierten Masken mit verzerrungskorrigierten funktionellen Daten Vorteile für eine zuverlässige Auswertung. Die berechneten funktionellen Werte zeigten eine gute Übereinstimmung mit Literaturwerten. Lediglich verringerte medullare FA-Werte sind auf die Tatsache zurückzuführen, dass die bisherigen Bewertungsmethoden nur Regionen aus den hellsten Bereichen der funktionellen Bilder mit einbezogen haben. Ein weiterer Vorteil des entwickelten Algorithmus ist somit eine schichtweise Quantifizierung der gesamten Nierenstrukturen, wobei lokale Nierenerkrankungen, wie Zysten oder eine partielle Nekrose, durch eine erweiterte Segmentierung mit in die Beurteilung einbezogen werden können. Die Verhältnisse der Volumina innerhalb der Niere, unter Berücksichtigung der Funktionalität der einzelnen Regionen, ermöglichen nun weitere Erkenntnisse in der Nierendiagnostik

A Study of Macrophages in the Aging Liver and in the Host Response to Engineered Lung Scaffolds

Macrophages are innate immune cells that contribute to tissue remodeling and homeostasis, respond to foreign antigens, and regulate the recruitment and activation of auxiliary immune cells. In chronic disease or a foreign body reaction, macrophages drive inflammation, leading to tissue damage and fibrosis. As such, understanding the developmental and phenotypic diversity of macrophages is of interest in both the pathobiology of disease as well as the design of novel therapeutics and materials. This dissertation examines macrophage biology in two contexts: the aging liver and the host response to engineered lung scaffolds. The liver contains two subsets of macrophages: a stable population of embryonically-derived Kupffer cells and a transient population of monocyte-derived macrophages. The dynamics of hepatic macrophages during the process of aging is unknown and may influence the development of chronic liver disease. Studies presented here demonstrate an increase in hepatic macrophages from naturally aged (19-months-old) mice compared to young counterparts (3-months-old). Macrophages from aged livers express significantly greater amounts of CD11b surface antigen and upregulate arginase strongly after exposure to interleukin-4, suggesting monocytic origins and a predisposition towards an alternatively activated phenotype. Aged livers also exhibit increased triglycerides and pro-inflammatory signals, including monocyte chemoattractant protein (MCP-1). Inhibiting MCP-1 signaling reduced lipids and inflammation but did not significantly alter the macrophage population. Additional methods to modulate hepatic macrophages remain to be studied in the context of age-associated pathologies. Following implantation of biomaterials, macrophages are recruited and polarize to a classical or alternatively activated phenotype, which can influence the outcome of the foreign body response. A positive outcome is associated with reduced inflammation and is crucial for the success of animal-derived organs to be used for xenotransplantation. Studies presented herein demonstrate that the removal of the foreign Gal-epitope from decellularized porcine lung scaffolds improves the host response in non-human primates, in part by reducing CD86 expression on macrophages and preventing substantial adaptive immune recognition upon reimplantation. Taken together, these studies further the understanding of macrophage biology in the aging liver and in the host response to Gal-epitopes and demonstrate novel strategies to reduce inflammation in chronic disease and tissue engineering contexts