Über das Vermessen tubulärer Strukturen in der Computertomographie

Die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (engl. chronic obstructive pulmonary disease, COPD) ist ein Überbegriff für Erkrankungen, die zu Husten, Auswurf und Dyspnoe (Atemnot) in Ruhe oder Belastung führen - zu diesen werden die chronische Bronchitis und das Lungenemphysem gezählt. Das Fortschreiten der COPD ist eng verknüpft mit der Zunahme des Volumens der Wände kleiner Luftwege (Bronchien). Die hochauflösende Computertomographie (CT) gilt bei der Untersuchung der Morphologie der Lunge als Goldstandard (beste und zuverlässigste Methode in der Diagnostik). Möchte man Bronchien, eine in Annäherung tubuläre Struktur, in CT-Bildern vermessen, so stellt die geringe Größe der Bronchien im Vergleich zum Auflösungsvermögen eines klinischen Computertomographen ein großes Problem dar. In dieser Arbeit wird gezeigt wie aus konventionellen Röntgenaufnahmen CT-Bilder berechnet werden, wo die mathematischen und physikalischen Fehlerquellen im Bildentstehungsprozess liegen und wie man ein CT-System mittels Interpretation als lineares verschiebungsinvariantes System (engl. linear shift invariant systems, LSI System) mathematisch greifbar macht. Basierend auf der linearen Systemtheorie werden Möglichkeiten zur Beschreibung des Auflösungsvermögens bildgebender Verfahren hergeleitet. Es wird gezeigt wie man den Tracheobronchialbaum aus einem CT-Datensatz stabil segmentiert und mittels eines topologieerhaltenden 3-dimensionalen Skelettierungsalgorithmus in eine Skelettdarstellung und anschließend in einen kreisfreien Graphen überführt. Basierend auf der linearen System Theorie wird eine neue, vielversprechende, integral-basierte Methodik (IBM) zum Vermessen kleiner Strukturen in CT-Bildern vorgestellt. Zum Validieren der IBM-Resultate wurden verschiedene Messungen an einem Phantom, bestehend aus 10 unterschiedlichen Silikon Schläuchen, durchgeführt. Mit Hilfe der Skelett- und Graphendarstellung ist ein Vermessen des kompletten segmentierten Tracheobronchialbaums im 3-dimensionalen Raum möglich. Für 8 zweifach gescannte Schweine konnte eine gute Reproduzierbarkeit der IBM-Resultate nachgewiesen werden. In einer weiteren, mit IBM durchgeführten Studie konnte gezeigt werden, dass die durchschnittliche prozentuale Bronchialwandstärke in CT-Datensätzen von 16 Rauchern signifikant höher ist, als in Datensätzen von 15 Nichtrauchern. IBM läßt sich möglicherweise auch für Wanddickenbestimmungen bei Problemstellungen aus anderen Arbeitsgebieten benutzen - kann zumindest als Ideengeber dienen. Ein Artikel mit der Beschreibung der entwickelten Methodik und der damit erzielten Studienergebnisse wurde zur Publikation im Journal IEEE Transactions on Medical Imaging angenommen.

Diffusionsgewichtete Helium-3 Magnetresonanztomographie zur Untersuchung der Lunge

Die diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (MRT) mit dem hyperpolarisierten Edelgas-Isotop 3He ist ein neues Verfahren zur Untersuchung von Erkrankungen der Atem-wege und der Lunge. Die Diffusionsbewegung der 3He-Atome in den Luftwegen der Lunge wird durch deren Wände begrenzt, wobei diese Einschränkung sowohl von den Dimensionen der Atemwege als auch von den Messparametern abhängt. Man misst daher einen scheinbaren Diffusionskoeffizienten (Apparent Diffusion Coefficient, ADC) der kleiner ist als der Diffusionskoeffizient bei freier Diffusion. Der ADC gestattet somit eine qualitative Abschät-zung der Größe der Luftwege und deren krankhafte Veränderung, ohne eine direkte Abbil-dung der Luftwege selbst. Eine dreidimensionale Abbildung der räumlichen Verteilung von Lungenschädigungen wird dadurch möglich. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein tieferes physikalisch fundiertes Verständnis der 3He-Diffusionsmessung zu ermöglichen und die Methode der diffusionsgewichteten 3He-MRT hin zur Erfassung des kompletten 3He-Diffusionstensors weiterzuentwickeln. Dazu wurde systematisch im Rahmen von Phantom- und tierexperimentellen Studien sowie Patientenmes-sungen untersucht, inwieweit unterschiedliche Einflussfaktoren das Ergebnis der ADC-Messung beeinflussen. So konnte beispielsweise nachgewiesen werden, dass residuale Luftströmungen am Ende der Einatmung keinen Einfluss auf den ADC-Wert haben. Durch Simulationsrechnungen konnte gezeigt werden, in welchem Maße sich die durch den Anregungspuls hervorgerufene Abnah-me der Polarisation des 3He-Gases auf den gemessenen ADC-Wert auswirkt. In einer Studie an lungengesunden Probanden und Patienten konnte die Wiederholbarkeit der ADC-Messung untersucht werden, aber auch der Einfluss von Gravitationseffekten. Diese Ergebnisse ermöglichen genauere Angaben über systematische und statistische Messfehler, sowie über Grenzwerte zwischen normalem und krankhaft verändertem Lungengewebe. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die bestehende diffusionsgewichtete Bildgebung methodisch zur Erfassung des kompletten Diffusionstensors von 3He in der Lunge weiterentwickelt. Dies war wichtig, da entlang der Luftwege weitestgehend freie Diffusion vorherrscht, während senkrecht zu den Luftwegen die Diffusion eingeschränkt ist. Mit Hilfe von Simulationsrech-nungen wurde der kritische Einfluss von Rauschen in den MRT-Bildern auf die Qualität der Messergebnisse untersucht. Diese neue Methodik wurde zunächst an einem Phantom beste-hend aus einem Bündel aus Glaskapillaren, deren innerer Durchmesser mit dem des mensch-lichen Azinus übereinstimmt, validiert. Es ergab sich eine gute Übereinstimmung zwischen theoretischen Berechnungen und experimentellen Ergebnissen. In ersten Messungen am Menschen konnten so unterschiedliche Anisotropiewerte zwischen lungengesunden Proban-den und Patienten gefunden werden. Es zeigte sich eine Tendenz zu isotroper Diffusion bei Patienten mit einem Lungenemphysem. Zusammenfassend tragen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zu einem besseren Ver-ständnis der ADC-Messmethode bei und helfen zukünftige Studien aufgrund des tieferen Verständnisses der die 3He Messung beeinflussenden Faktoren besser zu planen.

Untersuchung zur Bestimmung quantitativer Parameter der Lungenventilation mittels CT und MRT

Die zuverlässige Berechnung von quantitativen Parametern der Lungenventilation ist für ein Verständnis des Verhaltens der Lunge und insbesondere für die Diagnostik von Lungenerkrankungen von großer Bedeutung. Nur durch quantitative Parameter sind verlässliche und reproduzierbare diagnostische Aussagen über den Gesundheitszustand der Lunge möglich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue quantitative Verfahren zur Erfassung der Lungenventilation basierend auf der dynamischen Computer- (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) entwickelt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Frage untersucht, ob das Aufblähen der Lunge in gesunden Schweinelungen und Lungen mit Akutem Lungenversagen (ARDS) durch einzelne, diskrete Zeitkonstanten beschrieben werden kann, oder ob kontinuierliche Verteilungen von Zeitkonstanten die Realität besser beschreiben. Hierzu wurden Serien dynamischer CT-Aufnahmen während definierter Beatmungsmanöver (Drucksprünge) aufgenommen und anschließend aus den Messdaten mittels inverser Laplace-Transformation die zugehörigen Verteilungen der Zeitkonstanten berechnet. Um die Qualität der Ergebnisse zu analysieren, wurde der Algorithmus im Rahmen von Simulationsrechnungen systematisch untersucht und anschließend in-vivo an gesunden und ARDS-Schweinelungen eingesetzt. Während in den gesunden Lungen mono- und biexponentielle Verteilungen bestimmt wurden, waren in den ARDS-Lungen Verteilungen um zwei dominante Zeitkonstanten notwendig, um die gemessenen Daten auf der Basis des verwendeten Modells verlässlich zu beschreiben. Es wurden sowohl diskrete als auch kontinuierliche Verteilungen gefunden. Die CT liefert Informationen über das solide Lungengewebe, während die MRT von hyperpolarisiertem 3He in der Lage ist, direkt das eingeatmete Gas abzubilden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde zeitlich hochaufgelöst das Einströmen eines 3He-Bolus in die Lunge erfasst. Über eine Entfaltungsanalyse wurde anschließend das Einströmverhalten unter Idealbedingungen (unendlich kurzer 3He-Bolus), also die Gewebeantwortfunktion, berechnet und so eine Messtechnik-unabhängige Erfassung des Einströmens von 3He in die Lunge ermöglicht. Zentrale Fragestellung war hier, wie schnell das Gas in die Lunge einströmt. Im Rahmen von Simulationsrechnungen wurde das Verhalten eines Entfaltungsalgorithmus (basierend auf B-Spline Repräsentationen) systematisch analysiert. Zusätzlich wurde ein iteratives Entfaltungsverfahren eingesetzt. Aus zeitlich hochaufgelösten Messungen (7ms) an einer gesunden und einer ARDS-Schweinelunge konnte erstmals nachgewiesen werden, dass das Einströmen in-vivo in weniger als 0,1s geschieht. Die Ergebnisse zeigen Zeitkonstanten im Bereich von 4ms–50ms, wobei zwischen der gesunden Lungen und der ARDS-Lunge deutliche Unterschiede beobachtet wurden. Zusammenfassend ermöglichen daher die in dieser Arbeit vorgestellten Algorithmen eine objektivere Bestimmung quantitativer Parameter der Lungenventilation. Dies ist für die eindeutige Beschreibung ventilatorischer Vorgänge in der Lunge und somit für die Lungendiagnostik unerlässlich. Damit stehen quantitative Methoden für die Lungenfunktionsdiagnostik zur Verfügung, deren diagnostische Relevanz im Rahmen wissenschaftlicher und klinischer Studien untersucht werden kann.

Analysen zur Expression proinflammatorischer Mediatoren in humanen Zellkulturmodellen und murinen Tiermodellen chronisch-inflammatorischer Erkrankungen

Die humane induzierbare NO-Synthase (iNOS) spielt bei zahlreichen Erkrankungen wie Asthma, Krebs und der rheumatoiden Arthritis eine entscheidende Rolle. Durch Fehlregulation der iNOS-Expression kommt es häufig zu massiven Gewebeschädigungen. Aus diesem Grund ist es wichtig die Mechanismen der Genregulation der iNOS-Expression zu verstehen. Bei Affinitätschromatographie-Analysen wurde das zytosolische PolyA-bindende Protein (PABP) als direkter Interaktionspartner der 3´UTR der humanen iNOS identifiziert. Weitere Bindungsanalysen konnten eine spezifische Bindestelle für PABP in der 5´UTR und zwei Bindestellen im AU-reichen Bereich der 3´UTR der humanen iNOS nachweisen. Eine siRNA-mediierte Herabregulation von PABP mit Hilfe der stabilen Expression spezifischer siRNAs in DLD-1 Zellen (siPABP Zellen) zeigte eine signifikant verringerte Expression der humanen iNOS und damit einhergehend eine verringerte NO-Produktion nach Zytokinstimulation. Promotoranalysen zeigten keine Veränderung der Induzierbarkeit des humanen 16 kb iNOS-Promotors in siPABP Zellen. RNA-Stabilitätsanalysen zeigten einen verstärkten Abbau der iNOS-mRNA in diesen Zellen, so dass davon auszugehen ist, dass die Regulation der humanen iNOS über die mRNA-Stabilität erfolgt. Reportergen-Analysen mit Plasmiden, welche die 5’ und/oder 3’UTR Sequenzen der humanen iNOS mit den identifizierten PABP-Bindestellen oder Mutationen in diesen Bindestellen enthielten, zeigten, dass PABP die iNOS-mRNA über die 5´UTR stabilisiert und anscheinend über die 3´UTR einen destabilisierenden Effekt auf die mRNA ausübt. Ebenfalls scheint PABP über die 3’UTR dieTranslation der iNOS mRNA zu hemmen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass PABP, über seine allgemeinen Funktionen hinaus, eine spezifische Rolle in der Regulation der Expression der humanen iNOS einnimmt.rnDie rheumatoide Arthritis (RA) ist eine chronisch entzündliche Autoimmunerkrankung, welche überwiegend die peripheren Gelenke der Hände und Füße betrifft. Die aktuellen Therapiemöglichkeiten sind immer noch mit einer Vielzahl von Nebenwirkungen behaftet und führen nicht zur vollständigen Remission der Erkrankung, so dass die Entwicklung neuer Medikamente unerlässlich ist. In dieser Arbeit wurden die antiinflammatorischen Substanzen Gallielalacton (Gal) und Oxacyclododecindion (Oxa) im Mausmodell der kollagen-induzierten Arthritis (CIA) getestet. Leider waren beide Substanzen nicht in der Lage die Symptome der CIA zu vermindern, obwohl beide im Modell der LPS-induzierten akuten Entzündung die Expression proinflammatorischer Mediatoren senken konnten. Die Substanz S-Curvularin (SC) hat sich im CIA-Modell bereits bewährt und wurde in dieser Arbeit weiter untersucht. SC war in der Lage die Expression knorpel- und knochendestruktiver Markergene signifikant zu verrindern. rnIn der vorliegenden Arbeit wurden neue microRNAs identifiziert, die in der Pathogenese der CIA eine Dysregulation zeigen. Die Expression dieser microRNAs wurde von SC wieder auf das Normalniveau gebracht, so dass SC eine vielversprechende Substanz in der Therapie chronisch inflammatorische Erkrangungen sein könnte. Die neu identifizierten CIA-relevanten microRNAs könnten als neueRA-Marker oder als Zielstrukturen für neue Medikamente dienen.rn

Methylierungs- und Expressionsuntersuchungen zur Aufklärung der molekularen Pathogenese in chronisch entzündlichen Darmerkrankungen

Unter der Bezeichnung Chronisch Entzündliche Darmerkrankungen (CED) werden zwei Erscheinungsformen, Colitis Ulcerosa (CU) und Morbus Crohn (MC) zusammengefasst. Das Leitsymptom von CED sind chronische Entzündungen des Magen-Darm-Trakts, insbesondere des terminalen Ileum und des Colons. Es wird angenommen, dass eine aberrante Immunantwort auf das intestinale Mikrobiom in einem genetisch prädisponierten Individuum zur Entstehung von CED führt.rnFür diese Studie ist der genetische, bzw. epigenetische Aspekt, der Pathogenese von CU und MC von besonderem Interesse. In verschiedenen Assoziationsstudien wurden bereits 163 mit CED assoziierte, krankheitsrelevante Gen Loci identifiziert. Zusätzlich wurden Studien durchgeführt, die Methylierungs- und Expressionsunterschiede in Gewebe oder Blut von CED-Patienten gegenüber gesunden Probanden (Kontrollen) aufzeigten. rnIn der vorliegenden Studie wurden entzündliche- und nicht-entzündliche Gewebeproben von CU- (Colon) und MC-Patienten (terminales Ileum und Colon) und gesunden Probanden (terminales Ileum und Colon; nicht entzündlich) auf genspezifischer- und genomweiter Ebene auf Methylierungs- und Expressionsunterschiede hin untersucht. Im Rahmen der genspezifischen Analysen wurde in vier Genen (IL17REL, MUC2, MUC6, MUC15) eine aberrante Methylierung im Vergleich der MC- oder CU-Gewebeproben mit den Kontrollen detektiert. Die an 24 ausgewählten CU Colon-Proben (NE und E) und Colon Kontrollen durchgeführte genomweite Methylierungsanalyse zeigte aberrante Methylierungsmuster in über 2500 Genen im Vergleich der entzündlichen CU Colon E-Proben mit den Kontrollen. Fünf dieser Gene (BACH2, STAT3, STAT4, STK4 und WIPF1) wurden ausgewählt und die Veränderung der Methylierung an einem größeren Patientenkollektiv, welches auch Proben von MC-Patienten umfasst, bestätigt. Zusätzlich zu der aberranten Methylierung wurden Expressionsveränderungen des IL17REL-, MUC6- und STAT4-Gens in MC-Patienten sowie des MUC2-Gens in CU-Patienten identifiziert. rnDa über die Promoterregion und Funktion von IL17REL nur sehr wenig bis gar nichts bekannt ist, wurden zusätzlich Promoteranalysen mittels Dual-Luciferase-Assay durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die höchste Aktivität des putativen IL17REL-Promoters im Bereich -806 – -8 vor der 5’UTR zu finden ist. In diesem Bereich lagen auch die in der Methylierungsanalyse untersuchten CpGs.rn