Glukosestoffwechsel und Strahlentherapie solider, maligner Tumoren

Der Tumorstoffwechsel ist charakterisiert durch eine erhöhte Glykolyserate und die Anreicherung von Laktat auch in Anwesenheit von Sauerstoff. In früheren Arbeiten dieser Arbeitsgruppe konnte gezeigt werden, dass ein hoher Laktatgehalt in Primärtumoren signifikant mit einem gesteigerten Metastasierungsverhalten und einer schlechteren Patientenprognose verknüpft ist. Ein wichtiges Verfahren zur Bestimmung des Metabolitstatus in kryokonservierten Tumorschnitten ist die induzierte, metabolische Biolumineszenz. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neues, digitales Kamerasystem für Biolumineszenzmessungen etabliert. Außerdem wurde der für die Laktat- und Glukosemessungen benötigte Enzymmix optimiert, so dass eine bessere Lichtausbeute und eine Kosteneinsparung von etwa 50% erzielt werden konnte. Durch die Einführung von Kontrollmessungen und die Verwendung eines neu entwickelten ImageJ-PlugIns für eine halbautomatisierte Auswertung, konnte ein zuverlässiges Messsystem etabliert werden, das Ergebnisse mit einer verbesserten Reproduzierbarkeit liefert. rnDieses neue Messsytem wurde in einer Studie an zehn humanen xenotransplantierten Plattenepithelkarzinomen des Kopf-Hals-Bereiches erfolgreich eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass eine signifikante, positive Korrelation zwischen dem Laktatgehalt in soliden Primärtumoren und der Resistenz gegenüber einer fraktionierten Strahlentherapie besteht. rnIn einer weiterführenden Studie wurde im gleichen Xenograftmodell der Einfluss einer fraktionierten Strahlentherapie auf den Tumorstoffwechsel untersucht. Der Vergleich von zwei humanen Plattenepithelkarzinomlinien des Kopf-Hals-Bereichs im Verlauf einer fraktionierten Strahlentherapie zeigt deutliche Unterschiede zwischen strahlenresistenten und strahlensensiblen Tumoren. In der strahlenempfindlichen Tumorlinie UT-SCC 14 treten nach Bestrahlung mit drei Fraktionen in der Expression glykolyse-assoziierter Gene und nach zehn Fraktionen im ATP- und Laktatgehalt signifikante Veränderungen auf. Im Gegensatz dazu wird bei der strahlenresistenten Linie UT-SCC 5 lediglich eine Absenkung des Laktatgehaltes nach zehn Fraktionen beobachtet, nicht jedoch des ATP-Gehalts. Die mRNA-Expression wird in UT-SCC 5 nicht durch eine fraktionierte Bestrahlung verändert. Diese Ergebnisse liefern erste Hinweise, dass das mRNA-Expressionslevel und der Metabolitgehalt frühe Marker für das Ansprechen auf eine Strahlentherapie sein können.rn

Le variazioni anatomiche: La vera immagine dell'anatomia dell'uomo

La studio dell’Anatomia umana presenta una varietà di sfaccettature, che sono alla base della reale comprensione del corpo umano; ovvero la vera anatomia non è quella rappresentata nei testi ma quella che appare durante la dissezione o nelle più sofisticate analisi di immagine. Lo scopo di questa tesi è stato quello di rivisitare alcune situazioni vascolari che possono andare incontro a variazioni e cercare di comprendere, anche con l’aiuto della bibliografia, se tali variazioni possono essere causa o epifenomeni di patologie a carico delle arterie affette dalle variazioni stesse o di territori da esse dipendenti per l’afflusso sanguigno. E’ stata condotta una analisi su preparati cadaverici in particolare in tre distretti: a) addome e tripode celiaco/mesenterica superiore; b) circolo cerebrale; d) orco aortico.

Analisi d'immagine, patologia quantitativa e dimensione frattale in patologia veterinaria: Densita' e forme

Fino dagli albori della metodica scientifica, l’osservazione e la vista hanno giocato un ruolo fondamentale. La patologia è una scienza visiva, dove le forme, i colori, le interfacce e le architetture di organi, tessuti, cellule e componenti cellulari guidano l’occhio del patologo e ne indirizzano la scelta diagnostico-classificativa. L’osservazione del preparato istologico in microscopia ottica si attua mediante l’esame e la caratterizzazione di anomalie ad ingrandimenti progressivamente crescenti, a diverse scale spaziali, che partono dalla valutazione dell’assetto architettonico sovracellulare, per poi spostarsi ad investigare e descrivere le cellule e le peculiarità citomorfologiche delle stesse. A differenza di altri esami di laboratorio che sono pienamente quantificabili, l’analisi istologica è intrinsecamente soggettiva, e quindi incline ad un alto grado di variabilità nei risultati prodotti da differenti patologi. L’analisi d’immagine, l’estrazione da un’immagine digitale di contenuti utili, rappresenta una metodica oggettiva, valida e robusta ormai largamente impiegata a completamento del lavoro del patologo. Si sottolinea come l’analisi d’immagine possa essere vista come fase descrittiva quantitativa di preparati macroscopici e microscopici che poi viene seguita da una interpretazione. Nuovamente si sottolinea come questi descrittori siano oggettivi, ripetibili e riproducibili, e non soggetti a bassa concordanza inter operatore. La presente tesi si snoda attraverso un percorso concettuale orientato ad applicazioni di analisi d’immagine e patologia quantitativa che parte dalle applicazioni più elementari (densità, misure lineari), per arrivare a nozioni più avanzate, quali lo studio di complessità delle forme mediante l’analisi frattale e la quantificazione del pattern spaziale di strutture sovracellulari.

Analyse der intrazellulären Freisetzung von Wirkstoffmodellen via konfokaler Laser-Raster-Mikroskopie

In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, wie man das Potential nanopartikulärer Systeme, die vorwiegend via Miniemulsion hergestellt wurden, im Hinblick auf „Drug Delivery“ ausnutzen könnte, indem ein Wirkstoffmodell auf unterschiedliche Art und Weise intrazellulär freigesetzt wurde. Dies wurde hauptsächlich mittels konfokaler Laser-Raster-Mikrokopie (CLSM) in Kombination mit dem Bildbearbeitungsprogramm Volocity® analysiert.rnPBCA-Nanokapseln eigneten sich besonders, um hydrophile Substanzen wie etwa Oligonukleotide zu verkapseln und sie so auf ihrem Transportweg in die Zellen vor einem etwaigen Abbau zu schützen. Es konnte eine Freisetzung der Oligonukleotide in den Zellen aufgrund der elektrostatischen Anziehung des mitochondrialen Membranpotentials nachgewiesen werden. Dabei war die Kombination aus Oligonukleotid und angebundenem Cyanin-Farbstoff (Cy5) an der 5‘-Position der Oligonukleotid-Sequenz ausschlaggebend. Durch quantitative Analysen mittels Volocity® konnte die vollständige Kolokalisation der freigesetzten Oligonukleotide an Mitochondrien bewiesen werden, was anhand der Kolokalisationskoeffizienten „Manders‘ Coefficients“ M1 und M2 diskutiert wurde. Es konnte ebenfalls aufgrund von FRET-Studien doppelt markierter Oligos gezeigt werden, dass die Oligonukleotide weder beim Transport noch bei der Freisetzung abgebaut wurden. Außerdem wurde aufgeklärt, dass nur der Inhalt der Nanokapseln, d. h. die Oligonukleotide, an Mitochondrien akkumulierte, das Kapselmaterial selbst jedoch in anderen intrazellulären Bereichen aufzufinden war. Eine Kombination aus Cyanin-Farbstoffen wie Cy5 mit einer Nukleotidsequenz oder einem Wirkstoff könnte also die Basis für einen gezielten Wirkstofftransport zu Mitochondrien liefern bzw. die Grundlage schaffen, eine Freisetzung aus Kapseln ins Zytoplasma zu gewährleisten.rnDer vielseitige Einsatz der Miniemulsion gestattete es, nicht nur Kapseln sondern auch Nanopartikel herzustellen, in welchen hydrophobe Substanzen im Partikelkern eingeschlossen werden konnten. Diese auf hydrophobe Wechselwirkungen beruhende „Verkapselung“ eines Wirkstoffmodells, in diesem Fall PMI, wurde bei PDLLA- bzw. PS-Nanopartikeln ausgenutzt, welche durch ein HPMA-basiertes Block-Copolymer stabilisiert wurden. Dabei konnte gezeigt werden, dass das hydrophobe Wirkstoffmodell PMI innerhalb kürzester Zeit in die Zellen freigesetzt wurde und sich in sogenannte „Lipid Droplets“ einlagerte, ohne dass die Nanopartikel selbst aufgenommen werden mussten. Daneben war ein intrazelluläres Ablösen des stabilisierenden Block-Copolymers zu verzeichnen, welches rn8 h nach Partikelaufnahme erfolgte und ebenfalls durch Analysen mittels Volocity® untermauert wurde. Dies hatte jedoch keinen Einfluss auf die eigentliche Partikelaufnahme oder die Freisetzung des Wirkstoffmodells. Ein großer Vorteil in der Verwendung des HPMA-basierten Block-Copolymers liegt darin begründet, dass auf zeitaufwendige Waschschritte wie etwa Dialyse nach der Partikelherstellung verzichtet werden konnte, da P(HPMA) ein biokompatibles Polymer ist. Auf der anderen Seite hat man aufgrund der Syntheseroute dieses Block-Copolymers vielfältige Möglichkeiten, Funktionalitäten wie etwa Fluoreszenzmarker einzubringen. Eine kovalente Anbindung eines Wirkstoffs ist ebenfalls denkbar, welcher intrazellulär z. B. aufgrund von enzymatischen Abbauprozessen langsam freigesetzt werden könnte. Somit bietet sich die Möglichkeit mit Nanopartikeln, die durch HPMA-basierte Block-Copolymere stabilisiert wurden, gleichzeitig zwei unterschiedliche Wirkstoffe in die Zellen zu bringen, wobei der eine schnell und der zweite über einen längeren Zeitraum hinweg (kontrolliert) freigesetzt werden könnte.rnNeben Nanokapseln sowie –partikeln, die durch inverse bzw. direkte Miniemulsion dargestellt wurden, sind auch Nanohydrogelpartikel untersucht worden, die sich aufgrund von Selbstorganisation eines amphiphilen Bock-Copolymers bildeten. Diese Nanohydrogelpartikel dienten der Komplexierung von siRNA und wurden hinsichtlich ihrer Anreicherung in Lysosomen untersucht. Aufgrund der Knockdown-Studien von Lutz Nuhn konnte ein Unterschied in der Knockdown-Effizienz festgestellt werden, je nach dem, ob 100 nm oder 40 nm große Nanohydrogelpartikel verwendet wurden. Es sollte festgestellt werden, ob eine größenbedingte, unterschiedlich schnelle Anreicherung dieser beiden Partikel in Lysosomen erfolgte, was die unterschiedliche Knockdown-Effizienz erklären könnte. CLSM-Studien und quantitative Kolokalisationsstudien gaben einen ersten Hinweis auf diese Größenabhängigkeit. rnBei allen verwendeten nanopartikulären Systemen konnte eine Freisetzung ihres Inhalts gezeigt werden. Somit bieten sie ein großes Potential als Wirkstoffträger für biomedizinische Anwendungen.rn

A new information fusion method for land-use classification using high resolution satellite imagery

Satellite image classification involves designing and developing efficient image classifiers. With satellite image data and image analysis methods multiplying rapidly, selecting the right mix of data sources and data analysis approaches has become critical to the generation of quality land-use maps. In this study, a new postprocessing information fusion algorithm for the extraction and representation of land-use information based on high-resolution satellite imagery is presented. This approach can produce land-use maps with sharp interregional boundaries and homogeneous regions. The proposed approach is conducted in five steps. First, a GIS layer - ATKIS data - was used to generate two coarse homogeneous regions, i.e. urban and rural areas. Second, a thematic (class) map was generated by use of a hybrid spectral classifier combining Gaussian Maximum Likelihood algorithm (GML) and ISODATA classifier. Third, a probabilistic relaxation algorithm was performed on the thematic map, resulting in a smoothed thematic map. Fourth, edge detection and edge thinning techniques were used to generate a contour map with pixel-width interclass boundaries. Fifth, the contour map was superimposed on the thematic map by use of a region-growing algorithm with the contour map and the smoothed thematic map as two constraints. For the operation of the proposed method, a software package is developed using programming language C. This software package comprises the GML algorithm, a probabilistic relaxation algorithm, TBL edge detector, an edge thresholding algorithm, a fast parallel thinning algorithm, and a region-growing information fusion algorithm. The county of Landau of the State Rheinland-Pfalz, Germany was selected as a test site. The high-resolution IRS-1C imagery was used as the principal input data.

Messa a punto di un sistema di microscopia per l'analisi quantitativa di segnali fluorescenti

L’elaborato di tesi, che rientra nell’ambito di un progetto di collaborazione tra l’equipe del laboratorio ICM “Silvio Cavalcanti”, coordinato dal professor Giordano, e il CVG (Computer Vision Group) coordinato dal professor Bevilacqua, mira alla messa a punto di un sistema di misura quantitativa di segnali fluorescenti, tramite l’elaborazione di immagini acquisite in microscopia ottica.

Predicting and monitoring cancer treatment response with diffusion-weighted MRI

An imaging biomarker that would provide for an early quantitative metric of clinical treatment response in cancer patients would provide for a paradigm shift in cancer care. Currently, nonimage based clinical outcome metrics include morphology, clinical, and laboratory parameters, however, these are obtained relatively late following treatment. Diffusion-weighted MRI (DW-MRI) holds promise for use as a cancer treatment response biomarker as it is sensitive to macromolecular and microstructural changes which can occur at the cellular level earlier than anatomical changes during therapy. Studies have shown that successful treatment of many tumor types can be detected using DW-MRI as an early increase in the apparent diffusion coefficient (ADC) values. Additionally, low pretreatment ADC values of various tumors are often predictive of better outcome. These capabilities, once validated, could provide for an important opportunity to individualize therapy thereby minimizing unnecessary systemic toxicity associated with ineffective therapies with the additional advantage of improving overall patient health care and associated costs. In this report, we provide a brief technical overview of DW-MRI acquisition protocols, quantitative image analysis approaches and review studies which have implemented DW-MRI for the purpose of early prediction of cancer treatment response.

Effect of systemic tetracycline on the degradation of tetracycline-impregnated bilayered collagen membranes: an animal study

BACKGROUND: Premature collagen membrane degradation may compromise the outcome of osseous regenerative procedures. Tetracyclines (TTCs) inhibit the catalytic activities of human metalloproteinases. Preprocedural immersion of collagen membranes in TTC and systemic administration of TTC may be possible alternatives to reduce the biodegradation of native collagen membranes. AIM: To evaluate the in vivo degradation of collagen membranes treated by combined TTC immersion and systemic administration. MATERIALS AND METHODS: Seventy-eight bilayered porcine collagen membrane disks were divided into three groups and were immersed in 0, 50, or 100 mg/mL TTC solution. Three disks, one of each of the three groups, were implanted on the calvaria of each of 26 Wistar rats. Thirteen (study group) were administered with systemic TTC (10 mg/kg), while the remaining 13 received saline injections (control group). Calvarial tissues were retrieved after 3 weeks, and histological sections were analyzed by image analysis software. RESULTS: Percentage of remaining collagen area within nonimpregnated membranes was 52.26 ± 20.67% in the study group, and 32.74 ± 13.81% in the control group. Immersion of membranes in 100 mg/mL TTC increased the amount of residual collagen to 63.46 ± 18.19% and 42.82 ± 12.99% (study and control groups, respectively). Immersion in 50 mg/mL TTC yielded maximal residual collagen values: 80.75 ± 14.86% and 59.15 ± 8.01% (study and control groups, respectively). Differences between the TTC concentrations, and between the control and the study groups were statistically significant. CONCLUSIONS: Immersion of collagen membranes in TTC solution prior to their implantation and systemic administration of TTC significantly decreased the membranes' degradation.

Delayed osteoblast differentiation and altered inflammatory response around implants placed in incisor sockets of type 2 diabetic rats

Objective: Central to the process of osseointegration is the recruitment of mesenchymal progenitor cells to the healing site, their proliferation and differentiation to bone synthesising osteoblasts. The process is under the control of pro-inflammatory cytokines and growth factors. The aim of this study was to monitor these key stages of osseointegration and the signalling milieu during bone healing around implants placed in healthy and diabetic bone. Methods: Implants were placed into the sockets of incisors extracted from the mandibles of normal Wistar and diabetic Goto-Kakizaki rats. Mandibles 1-12 weeks post-insertion of the implant were examined by histochemistry and immunocytochemistry to localise the presence of Stro-1- positive mesenchymal progenitor cells, proliferating cellular nuclear antigen proliferative cells, osteopontin and osteocalcin, macrophages, pro-inflammatory cytokines interleukin (IL)-1 , IL-6, tumour necrosis factor (TNF)- and tumour growth factor (TGF)- 1. Image analysis provided a semi-quantification of positively expressing cells. Results: Histological staining identified a delay in the formation of mineralised bone around implants placed in diabetic animals. Within the diabetic bone, the migration of Stro-1 mesenchymal cells in the healing tissue appeared to be unaffected. However, in the diabetic healing bone, the onset of cell proliferation and osteoblast differentiation were delayed and subsequently prolonged compared with normal bone. Similar patterns of change were observed in diabetic bone for the presence of IL-1 , TNF- , macrophages and TGF- 1. Conclusion: The observed alterations in the extracellular presence of pro-inflammatory cytokines, macrophages and growth factors within diabetic tissues that correlate to changes in the signalling milieu, may affect the proliferation and differentiation of mesenchymal progenitor cells in the osseointegration process. To cite this article: Colombo JS, Balani D, Sloan AJ, St Crean J, Okazaki J, Waddington RJ. Delayed osteoblast differentiation and altered inflammatory response around implants placed in incisor sockets of type 2 diabetic rats Clin. Oral Impl. Res22, 2011; 578-586 doi: 10.1111/j.1600-0501.2010.01992.x.

A MICROFLUIDIC METHOD TO MEASURE DIFFUSION IN HYDROGELS

A novel microfluidic method is proposed for studying diffusion of small molecules in a hydrogel. Microfluidic devices were prepared with semi-permeable microchannels defined by crosslinked poly(ethylene glycol) (PEG). Uptake of dye molecules from aqueous solutions flowing through the microchannels was observedoptically and diffusion of the dye into the hydrogel was quantified. To complement the diffusion measurements from the microfluidic studies, nuclear magnetic resonance(NMR) characterization of the diffusion of dye in the PEG hydrogels was performed. The diffusion of small molecules in a hydrogel is relevant to applications such asdrug delivery and modeling transport for tissue-engineering applications. The diffusion of small molecules in a hydrogel is dependent on the extent of crosslinking within the gel, gel structure, and interactions between the diffusive species and the hydrogel network. These effects were studied in a model environment (semi-infinite slab) at the hydrogelfluid boundary in a microfluidic device. The microfluidic devices containing PEG microchannels were fabricated using photolithography. The unsteady diffusion of small molecules (dyes) within the microfluidic device was monitored and recorded using a digital microscope. The information was analyzed with techniques drawn from digital microscopy and image analysis to obtain concentration profiles with time. Using a diffusion model to fit this concentration vs. position data, a diffusion coefficient was obtained. This diffusion coefficient was compared to those from complementary NMR analysis. A pulsed field gradient (PFG) method was used to investigate and quantify small molecule diffusion in gradient (PFG) method was used to investigate and quantify small molecule diffusion in hydrogels. There is good agreement between the diffusion coefficients obtained from the microfluidic methods and those found from the NMR studies. The microfluidic approachused in this research enables the study of diffusion at length scales that approach those of vasculature, facilitating models for studying drug elution from hydrogels in blood-contacting applications.

Development of a biocrystallisation assay for examining effects of homeopathic preparations ursing cress seedlings

A major challenge in basic research into homeopathic potentisation is to develop bioassays that yield consistent results. We evaluated the potential of a seedling-biocrystallisation method. Cress seeds (Lepidium sativum L.) germinated and grew for 4 days in vitro in Stannum metallicum 30x or water 30x in blinded and randomized assignment. 15 experiments were performed at two laboratories. CuCl2-biocrystallisation of seedlings extracted in the homeopathic preparations was performed on circular glass plates. Resulting biocrystallograms were analysed by computerized textural image analysis. All texture analysis variables analysed yielded significant results for the homeopathic treatment; thus the texture of the biocrystallograms of homeopathically treated cress exhibited specific characteristics. Two texture analysis variables yielded differences between the internal replicates, most probably due to a processing order effect. There were only minor differences between the results of the two laboratories. The biocrystallisation method seems to be a promising complementary outcome measure for plant bioassays investigating effects of homeopathic preparations.