Fully Bayesian Inference for Structural MRI: Application to Segmentation and Statistical Analysis of T2-Hypointensities.

Aiming at iron-related T2-hypointensity, which is related to normal aging and neurodegenerative processes, we here present two practicable approaches, based on Bayesian inference, for preprocessing and statistical analysis of a complex set of structural MRI data. In particular, Markov Chain Monte Carlo methods were used to simulate posterior distributions. First, we rendered a segmentation algorithm that uses outlier detection based on model checking techniques within a Bayesian mixture model. Second, we rendered an analytical tool comprising a Bayesian regression model with smoothness priors (in the form of Gaussian Markov random fields) mitigating the necessity to smooth data prior to statistical analysis. For validation, we used simulated data and MRI data of 27 healthy controls (age: [Formula: see text]; range, [Formula: see text]). We first observed robust segmentation of both simulated T2-hypointensities and gray-matter regions known to be T2-hypointense. Second, simulated data and images of segmented T2-hypointensity were analyzed. We found not only robust identification of simulated effects but also a biologically plausible age-related increase of T2-hypointensity primarily within the dentate nucleus but also within the globus pallidus, substantia nigra, and red nucleus. Our results indicate that fully Bayesian inference can successfully be applied for preprocessing and statistical analysis of structural MRI data

A safe and effective magnetic labeling protocol for MRI-based tracking of human adult neural stem cells

Magnetic resonance imaging (MRI) provides a unique tool for in vivo visualization and tracking of stem cells in the brain. This is of particular importance when assessing safety of experimental cell treatments in the preclinical or clinical setup. Yet, specific imaging requires an efficient and non-perturbing cellular magnetic labeling which precludes adverse effects of the tag, e.g., the impact of iron-oxide-nanoparticles on the critical differentiation and integration processes of the respective stem cell population investigated. In this study we investigated the effects of very small superparamagnetic iron oxide particle (VSOP) labeling on viability, stemness, and neuronal differentiation potential of primary human adult neural stem cells (haNSCs). Cytoplasmic VSOP incorporation massively reduced the transverse relaxation time T2, an important parameter determining MR contrast. Cells retained cytoplasmic label for at least a month, indicating stable incorporation, a necessity for long-term imaging. Using a clinical 3T MRI, 1 × 103 haNSCs were visualized upon injection in a gel phantom, but detection limit was much lower (5 × 104 cells) in layer phantoms and using an imaging protocol feasible in a clinical scenario. Transcriptional analysis and fluorescence immunocytochemistry did not reveal a detrimental impact of VSOP labeling on important parameters of cellular physiology with cellular viability, stemness and neuronal differentiation potential remaining unaffected. This represents a pivotal prerequisite with respect to clinical application of this method

The P2 Receptor Antagonist PPADS Supports Recovery from Experimental Stroke In Vivo

BACKGROUND: After ischemia of the CNS, extracellular adenosine 5'-triphosphate (ATP) can reach high concentrations due to cell damage and subsequent increase of membrane permeability. ATP may cause cellular degeneration and death, mediated by P2X and P2Y receptors. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: The effects of inhibition of P2 receptors by pyridoxalphosphate-6-azophenyl-2',4'-disulphonic acid (PPADS) on electrophysiological, functional and morphological alterations in an ischemia model with permanent middle cerebral artery occlusion (MCAO) were investigated up to day 28. Spontaneously hypertensive rats received PPADS or vehicle intracerebroventricularly 15 minutes prior MCAO for up to 7 days. The functional recovery monitored by qEEG was improved by PPADS indicated by an accelerated recovery of ischemia-induced qEEG changes in the delta and alpha frequency bands along with a faster and sustained recovery of motor impairments. Whereas the functional improvements by PPADS were persistent at day 28, the infarct volume measured by magnetic resonance imaging and the amount of TUNEL-positive cells were significantly reduced by PPADS only until day 7. Further, by immunohistochemistry and confocal laser scanning microscopy, we identified both neurons and astrocytes as TUNEL-positive after MCAO. CONCLUSION: The persistent beneficial effect of PPADS on the functional parameters without differences in the late (day 28) infarct size and apoptosis suggests that the early inhibition of P2 receptors might be favourable for the maintenance or early reconstruction of neuronal connectivity in the periinfarct area after ischemic incidents

Minderung von UV-B induzierten Pflanzenschäden bei gartenbaulichen Nutzpflanzen

Aufgrund einer anthropogen bedingten Abnahme des Ozongehaltes in der Stratosphäre ist in den letzten Jahren ein Anstieg des UV-B-Anteils der Lichteinstrahlung zu verzeichnen. Insbesondere an Tagen mit hoher Strahlungsdichte kann dies unter anderem Beeinflussungen der Photosynthese oder enzymatischer Aktivitäten im pflanzlichen Stoffwechsel zur Folge haben. Bei länger anhaltendem UV-B-Streß sind auch irreparable Pflanzenschäden möglich, die sich bei Blättern in Form von Nekrosen manifestieren. Bei Apfelfrüchten resultiert dieser UV-B-Stress in Veränderungen der Schalengrundfarbe der Früchte, in Rissbildungen oder in einer Bildung von Faulstellen. Das Auftreten von Sonnenbrand stellte in den letzte n Jahren im Obstanbau Nordrhein-Westfalens sowohl in den ökologisch als auch integriert geführten Betriebe n ein großes Problem dar. In Jahren mit großer Hitze und hoher UV-B-Strahlungsdichte können die Ertragsausfälle im Apfelanbau bei extrem empfindlichen Sorten und exponierter Lage 20-30 % erreichen. Ursache für die Gewebeschäden au f zellulärem Niveau ist die Bildung von freien Radikalen, die nachweislich zu einem Abbau der Zellmembranen führen können. Ob der bei Früchten auftretende Sonnenbrand direkt aus einer erhöhten UV-B Belastung mit nachfolgender Radikalbildung resultiert, ist bislang ungeklärt, gilt aber als wahrscheinlich. Auf der Grundlage ausgewählter physiologischer Parameter, wie der Elektronentransportaktivität in den Chloroplasten, wurden unter kontrollierten Bedingungen bei Phaseolus vulgaris L. Pflanzen Dosis-Wirkungsbeziehungen ermittelt. Mit Hilfe der Chlorophyllfluoreszenzmessung wurde geprüft, ob durch Applikation antioxidativ wirkender Substanzen die Intensität und das Ausmaß der Gewebeschäden gemindert werden kann. Bereits eine Bestrahlung mit 0,5 kJ/m 2 d resultierte bei P. vulgaris im Primärblattstadium in einer unmittelbaren Beeinträchtigung primärer Photosyntheseprozesse, die mit Hilfe der Chlorophyllfluoreszenz zuverlässig und reproduzierbar quantifiziert werden konnte. Die Maximalfluoreszenz (Fm) sank im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle (1,92 + 0,027) auf ein Niveau von 1,66 + 0,021, stieg anschließend jedoch innerhalb von 24 Stunden auf 1,84 + 0,015 an. Eine Erhöhung der Bestrahlungsdauer von 30 auf 45 min. hatte ein Einrollen der Blätter sowie die Ausbildung nekrotischer Flecken zur Folge. Bei Apfelfrüchten entwickelten sich bei gleicher Dosis Aufhellungen auf den UV-B-exponierten Schalenpartien, die auf einen Chlorophyllabbau zurückzuführen waren. Bei Buschbohnen, Apfelblättern und -früchten konnte eine deutliche Minderung der UV-B-induzierten Schäden durch Vorbehandlung der Pflanzen mit einer wässerigen Vitamin E/4-Methoxy-zimtsäure-2-ethyl-hexylester-Lösung oder nach Behandlung mit Rosskastanienrindenextrakt erreicht werden. Eine Behandlung mit Hypericum der Fa. Ceres, Kerpen Türnich, und Fa. Weleda, Schwäbisch Gmünd, ergab keine signifikante Minderung UV-B-induzierter Schäden. Diese Ergebnisse konnten durch Messungen der maximalen Fluoreszenz bestätigt werden. Die Prüfung der Hauptwirksubstanz des Rosskas tanienrindenextraktes ‚Aesculin' haben an Phaseolus vulgaris -Pflanzen sonnenbrandmindernde Effekt e ergeben. Allerdings hatte die Applikation der Reinsubstanz phytotoxische Effekte, wie z.B. die Bildung nekrotischer Läsionen auf den Blättern zur Folge. Wegen der hohen Kosten ist die Substanz für eine Anwendung im Freiland nicht sehr geeignet. Die Untersuchungen des aufgereinigten Rosskastanienrindenextraktes und des Rohextraktes haben keine Unterschiede im Wirkungsgrad gegenüber Sonnenbrand ergeben. Der Zusatz der Vit. E/MOZ-Formulierung erhöhte die Wirksamkeit des Rossk astanienrindenextraktes; jedoch war die Wirksamkeit der Mischung nicht stärker als die Vit. E/MO Z-Formulierung alleine. Die Prüfung von Alternativsubstanzen hinsichtlich ihrer Wirksamkeit zu m Schutz vor Sonnenbrand an P. vulgaris -Pflanzen ergab einen sonnenbrandmindernden Effekt für die Kombinationen aus ‚Vit. E, ZnO, Zimtsäure' oder ‚Vit. E, Zn O, Tausendgüldenkraut-Extrakt'. Die Wirkung im Freiland konnte jedoch aus zeitlichen Gründen im Rahmen dieses Projektes nicht mehr geprüft werden. Im Freilandversuch in einem ökologisch geführten Betrieb im Rheinland traten im Vegetationsjahr 1999 im Vergleich zu den Vorjahren geringere Sonnenbrandschäden auf. Dies war vermutlich auf den relativ kühlen Spätsommer zurückzuführen. Dagegen waren deutliche Fruchtschäden am Standort Südafrika aufgrund der dort höheren Lichteinstrahlung zu verzeichnen. Dort konnte eine deutliche Minderung von Sonnenbrandschäden an der Apfelsorte 'Granny Smith' bei Behandlung mit Vitamin E/MOZ nachgewiesen werden. Dieses Ergebnis hat besondere Bedeutung, da die UV-Intensitäten in diesem Gebiet besonders hoch sind. Unterschiede zwischen den Prüfvarianten und der Kontrolle hinsichtlich der Fruchtfleischfestigkeit, der Farbausbildung der Schale, sowie der Zucker- und Säuregehalte und der Mineralstoffe als qualitätsbestimmende Parameter an ‚Jonagold'-Früchten zum Erntetermin und nach 8 wöchiger Lagerung in einem Kühllager ergaben keine signifikanten Unterschiede. Die optimale Anwendungskonzentration des Rosskastanienrindenextrakts lag bei 100 g Rosskastanienrinde pro Liter Wasser, die des Vitamin E-Präparates bei 0,2 % a.i. - Tocopherol und 1,5 % a.i. Methoxyzimtsäurederivat in Wasser (Ergebnisse nicht dargestellt). Unter kontrollierten Bedingungen konnte eine Mindestwirkdauer bei der Präparate von 7 Tagen nachgewiesen werden. Dies konnte in Untersuchungen unter Freilandbedingungen bestätigt werden

Minderung von pilzlichem Pathogenbefall im organischen Obstbau durch Zufuhr von Antioxidantien

Im ökologischen Obstbau stellt der Apfelschorf (Venturia inaequalis (Cke.) Wint.) das mit Abstand größte Problem dar. Die Bekämpfung des pilzlichen Erregers trägt in erheblichem Maß zu den hohen Aufwandmengen an Kupfer bei (mind. 1,4 kg/ha Kupfersalze pro Jahr). Hohe Cu-Konzentrationen von mehr als 400 ppm in Böden führen zur Anreicherung dieses Schwermetalls in verschiedenen Pflanzenorganen. Solche Anreicherungen von Kupfer in Boden und Pflanze stellen ein mögliches Toxizitätsproblem für Mensch und Umwelt dar (BBÖ 1999). Da von gesetzlicher Seite her Restriktionen bezüglich der Aufwandmenge geplant sind, ist eine wirksame Alternative dringend erforderlich. In Vorstudien wurde festgestellt, dass die Applikation des antioxidativ wirksamen -Tocopherol (Vitamin E) an Apfel den Befall mit Apfelschorf um bis zu 70 % reduzieren konnte. Auch aus anderen Versuchen ist bekannt, dass die Applikation von Antioxidantien zur Bekämpfung von bestimmten Pathogenen eingesetzt werden kann (ELAD 1992; GÖNNER und SCHLÖSSER, 1992). Da Vitamin E lipophil ist, wurde -Tocopherol (0,5 %) unter Zusatz des Emulgators Lecithin (2,5 %) eingesetzt. Lecithin wurde als sogenannte Leerformulierung mit getestet. Unter kontrollierten Bedingungen wurden die beiden Applikationslösungen jeweils 24 h vor Inokulation mit dem Erreger Venturia inaequalis auf die Apfelsämlinge bis zum Abtropfzeitpunkt gesprüht. Hierdurch konnte 14 Tage nach der Inokulation eine Befallsreduktion von ca. 80 % im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle erzielt werden. Die Messung des für Stresserkennung sensiblen Chlorophyllfluoreszenzparameters Fv/Fm zeigte, dass der Photosyntheseapparat frühestens 7 Tage nach der Inokulation durch die Infektion mit Venturia inaequalis beeinträchtigt wurde. Vierzehn Tage nach der Inokulation war Fv/Fm der unbehandelten und infizierten Pflanzen signifikant niedriger, im Vergleich zu Fv/Fm von mit Tocopherol und Lecithin vorbehandelten Pflanzen. Dies ist auf den geringeren Pathogenbefall bei den behandelten Pflanzen und die dadurch geringeren Schäden an den Blättern zurückzuführen. Die Messung der Chlorophyllgehalte ergab zu keinem der drei Messtermine (3, 7 und 14 Tage nach der Inokulation) einen signifikanten Unterschied und ist daher als Früherkennung von Stresssymptomen bei einer V. inaequalis-Infektion nicht geeignet. Die Untersuchung der Peroxidase- und Lipoxygenaseaktivitäten, die beide 14 Tage nach der Inokulation in den unbehandelten und infizierten Pflanzen signifikant höher war, als in den anderen Varianten, deutet auf eine Akkumulation von Wasserstoffperoxid, bzw. eine gesteigerte Oxidation ungesättigter Fettsäuren hin. Beides ist ein Zeichen für einen erhöhten oxidativen Stress in der Pflanze, der durch die Behandlung mit den Applikationslösungen und damit verbundenem reduzierten Befall vermindert werden konnte. Die Messung von Komponenten des pflanzeneigenen Abwehrsystems, -Tocopherol und Ascorbinsäure, ergab, dass der Tocopherolgehalt zunächst in den mit Vitamin E behandelten Pflanzen aufgrund der exogen zugeführten Fraktion anstieg. Während die endogenen Tocopherolgehalte in den anderen infizierten Apfelsämlingen absanken, waren die Tocopherolgehalte in den mit Tocopherol behandelten Sämlingen 14 Tage nach der Inokulation auf dem gleichen Niveau, wie bei den nicht infizierten Pflanzen. Der Abfall des Vitamingehaltes in den infizierten Pflanzen deutete auf einen Verbrauch des Tocopherols hin, das für die Inaktivierung von entstehenden Radikalen von der Pflanze benötigt wird. Auch der Ascorbinsäuregehalt sank 14 Tage nach der Inokulation in diesen Varianten ab. Die mit dem Vitamin E synergistisch wirkende Ascorbinsäure wird benötigt, um die bei der Detoxifizierung von übermäßig auftretenden freien Radikalen entstehenden Tocopheryl-Radikalen wieder in Tocopherol umzuwandeln. Der abfallende Ascorbatgehalt 14 Tage nach Inokulation ist somit auch mit der antioxidativen Tätigkeit in den unbehandelten, infizierten und mit Lecithin behandelten und infizierten Pflanzen zu erklären. Anders als beim Tocopherol kam es beim Ascorbat zu einem Anstieg des Gehaltes in der unbehandelten und inokulierten Variante 3 Tage nach der Inokulation. Hierbei könnte es sich um eine Reaktion der Pflanze auf das Eindringen des Pilzes in das Pflanzengewebe handeln, die die Pflanze bei der Abwehr unterstützt. Neben Veränderungen antioxidativ wirksamer Komponenten im Pflanzengewebe wurde auch die Veränderung der Blattoberfläche nach Applikation von -Tocopherol und Lecithin beobachtet. Anhand von rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen wurde sichtbar, dass der Spritzbelag die Oberfläche der Sämlingsblätter verändert. Somit könnte der reduzierte Befall mit V. inaequalis nicht nur durch die Tätigkeit antioxidativ wirksamer Substanzen, sondern auch durch für den Pilz erschwerte Penetrationsbedingungen erklärt werden. Pilze benötigen häufig bestimmte Signale für die Initiation bestimmter Entwicklungsphasen. Durch den Belag auf den Blättern könnte es dazu kommen, dass die Keimschläuche keinen Impuls für die Ausbildung des Appressoriums bekommt, und die Keimschläuche deshalb weiterwachsen. Des Weiteren ist es möglich, dass die Applikationslösungen vom Pathogen aufgenommen werden und es zu Störungen des pilzlichen Stoffwechsels kommt. Ein weiterer Nebeneffekt der Applikationslösungen ist das schnellere Abtrocknen der Blätter nach der Inokulation mit der wässrigen Sporenlösung. Während es bei nicht behandelten Blättern zu einer Tröpfchenbildung der Inokulumsuspension kommt, "zerlaufen" die Tropfen auf vorbehandelten Blättern und tropfen teilweise direkt ab. Der daraufhin wesentlich dünnere Wasserfilm bewirkt ein schnelleres Abtrocknen der Inokulationssuspension. Die Folge ist ein verkürzter Zeitraum in dem der Pilz sich in der Pflanze etablieren kann. Durch die geringere Penetrationsrate ist schon hier der zukünftige Befall durch den Pilz im Gegensatz zur unbehandelten Variante dezimiert. Unter Freilandbedingungen im Versuchsjahr 2002 konnten die unter kontrollierten Bedingungen gewonnenen sehr guten Ergebnisse bezüglich der Befallsreduktion nur teilweise wiedergespiegelt werden. Dies lag vor allem an dem extrem hohen Befallsdruck und der sich schnell verbreitenden Sporen von den unbehandelten Bäumen. Bei den beiden frühen Blattbonituren war jedoch ein vergleichsweise geringerer Befall der mit Tocopherol und Lecithin behandelten Bäume zu den unbehandelten Bäumen zu verzeichnen. Hinsichtlich der Fruchtqualitätsparameter gab es weder nach Behandlung mit der Antioxidantienlösung noch nach Behandlung mit der Leerformulierung signifikante Unterschiede. In weiteren Freilandversuchen sollte die Anwendbarkeit der Applikationslösungen somit nochmals getestet werden

The Phenox Clot Retriever as Part of a Multimodal Mechanical Thrombectomy Approach in Acute Ischemic Stroke: Single Center Experience in 56 Patients

Purpose. We analyzed our experience with the phenox clot retriever as part of a multimodal mechanical thrombectomy (MTE) approach in acute ischemic stroke. Methods. 56 patients were treated by MTE with the phenox clot retriever alone or in combination with other modalities. Results. Overall we achieved TICI 2b/3 reperfusion rates of 61,9%. In multimodally treated patients we achieved reperfusion rates of 72,8%. There were 3 (5,5%) severe adverse events, all symptomatic intracranial hemorrhages. The mean angio to reperfusion times (ART) were 74 minutes for phenox-only procedures and 51 minutes for multimodal procedures. A chronological analysis showed a reduction of ART from 70,5 to 49,4 minutes and an increase of TICI 2b/3 recanalizations from 53,8% to 81,8%. Throughout the observation period there was a significant shift towards multimodal procedures with simultaneous increase of TICI 2b/3 reperfusions. Both effects are partially attributable to our institutional learning curve. NIHSS improvement could be seen in 54% (=28) overall and in 73% (=15) of MCA recanalizations. Conclusions. The phenox clot retriever is a safe and effective tool for MTE in acute stroke patients, with faster and better reperfusion results when used as part of a multimodal strategy. Clinical improvement is more frequent in MCA recanalizations

Long-term benefit of human fetal neuronal progenitor cell transplantation in a clinically adapted model after traumatic brain injury

Experimental human fetal neural progenitor cell (hfNPC) transplantation has proven to be a promising therapeutic approach after traumatic brain injury (TBI). However the long-term efficacy and safety, which are both highly important for clinical translation of this approach, have not been investigated so far. This study investigated the effect of local (1x105 cells) (L) and systemic (5x105 cells) (S) administration of PKH-26-labeled pre-differentiated hfNPCs over a period of twelve weeks, twenty-four hours after severe controlled cortical impact TBI in Sprague-Dawley rats. Accelerating rotarod testing revealed a trend of functional improvement beginning one week after transplantation and persisting until the end of the experiment. The traumatic lesion volume as quantified by magnetic resonance imaging was smaller in both treatment groups when compared to control (C) animals (C = 54.50 mm3, L = 32 mm3, S = 37.50 mm3). Correspondingly, NeuN staining showed increased neuronal survival at the border of the lesion in both transplanted groups (S: 92.4%; L: 87.2%; 72.5%). Histological analysis of brain compartments revealed transiently increased angiogenesis and reduced astroglial reaction during the first four weeks post-transplantation. PKH-26-positive cells were detected exclusively after local transplantation without any evidence of tumor formation. However, graft differentiation was only observed in very rare cases. In conclusion, transplantation of hfNPCs improved the long-term functional outcome after TBI, diminished trauma lesion size and increased neuronal survival in the border zone of the lesion. This therapeutic effect was most unlikely due to cell replacement but was associated with transiently increased angiogenesis and reduced astrogliosis

The stairway : a novel behavioral test detecting sensomotoric stroke deficits in rats

Abstract: New therapeutic concepts of cell and tissue replacement therapies have been introduced in treatment of neurological disorders which require robust and sensitive sensomotoric behavioral diagnostic test systems for experimental research. However, most test arrays available are either expensive and/or sensitive to environmental disturbances. Moreover, an extensive training phase for experimental animals is often required by conventional tests to get reproducible data. In this study, we describe a new test array, the Stairway, that is robust, cost‐effective, and needs only a minimum training phase. Its efficiency is evaluated in comparison to the well‐established RotaRod and modified neurological severity score. Stroke was induced by middle cerebral artery occlusion. Human umbilical cord blood transplantation (n = 18) was performed 24 h after stroke by intravenous injection of suspended cells in comparison to control injections (n = 18), while behavioral assessment was carried out continuously for 29 days. Furthermore, development of lesions was monitored by magnetic resonance imaging. The results reveal the Stairway test as a simple, highly reproducible, and easy manageable test system thus reflecting therapeutic benefits precisely

Trace plots for the Gibbs sampler of the mixture model for T2-hypointensity segmentation of one randomly chosen subject.

<p>Components of (left) and of (right). See text for details.</p