The thesis provides insights in reconstruction and analysis pipelines for processing of
three-dimensional cell and vessel images of megakaryopoiesis in intact murine bone.
The images were captured in a Light Sheet Fluorescence Microscope. The work
presented here is part of Collaborative Research Centre (CRC) 688 (project B07) of
the University of Würzburg, performed at the Rudolf-Virchow Center. Despite ongoing
research within the field of megakaryopoiesis, its spatio-temporal pattern of
megakaryopoiesis is largely unknown. Deeper insight to this field is highly desirable to
promote development of new therapeutic strategies for conditions related to
thrombocytopathy as well as thrombocytopenia. The current concept of
megakaryopoiesis is largely based on data from cryosectioning or in vitro studies
indicating the existence of spatial niches within the bone marrow where specific stages
of megakaryopoiesis take place. Since classic imaging of bone sections is typically
limited to selective two-dimensional views and prone to cutting artefacts, imaging of
intact murine bone is highly desired. However, this has its own challenges to meet,
particularly in image reconstruction. Here, I worked on processing pipelines to account
for irregular specimen staining or attenuation as well as the extreme heterogeneity of
megakaryocyte morphology. Specific challenges for imaging and image reconstruction
are tackled and solution strategies as well as remaining limitations are presented and
discussed. Fortunately, modern image processing and segmentation strongly benefits
from continuous advances in hardware as well as software-development. This thesis
exemplifies how a combined effort in biomedicine, computer vision, data processing
and image technology leads to deeper understanding of megakaryopoiesis. Tailored
imaging pipelines significantly helped elucidating that the large megakaryocytes are
broadly distributed throughout the bone marrow facing a surprisingly dense vessel
network. No evidence was found for spatial niches in the bone marrow, eventually
resulting in a revised model of megakaryopoiesis. / Im Rahmen dieses Dissertationsvorhabens wurden Segmentierungs- und
Auswertepipelines dreidimensionaler Bilder von Zellen und Gefäßen im intakten
Mausknochen erarbeitet. Die Bilder entstanden durch Fluoreszenzaufnahmen eines
Lichtblattmikroskops. Das Dissertationsvorhaben war Teil des
Sonderforschungsbereichs 688 (Teilprojekts B07) der Universität Würzburg und es
wurde am Rudolf-Virchow-Zentrum durchgeführt. Trotz einer Vielzahl aktueller
Forschungsprojekte auf dem Gebiet der Megakaryopoese sind Erkenntnisse über
deren räumlich-zeitliche Zusammenhänge größtenteils unbekannt. Neuere
wissenschaftliche Erkenntnisse auf diesem Gebiet wären insbesondere hilfreich für die
Weiterentwicklung von Behandlungsstrategien für Patienten, die an
Thrombozytopenien oder Thrombozytopathien leiden. Das aktuell vorherrschende
Modell zur Erklärung der Megakaryopoese geht von der Existenz räumlicher Nischen
im Knochenmark aus, in denen sich die einzelnen Schritte der Megakaryopoese
vollziehen. Dieses Modell basiert hauptsächlich auf Auswertungen von
Gefrierschnitten sowie in-vitro Experimenten. Da die klassische Bildgebung von
Knochenschnitten nur auf eine bestimmte Anzahl zweidimensionaler Schnitte begrenzt
ist und deren Qualität unter Schnittartefakten leidet, ist die Bildgebung des intakten
Knochens von besonderem Interesse. Dennoch führt dies zu neuen
Herausforderungen im Bereich der Bilddatenauswertung. Im vorliegenden
Dissertationsvorhaben beschäftige ich mich in diesem Bereich mit der Erarbeitung von
Auswerteprotokollen, welche beispielsweise den Einfluss unregelmäßiger Färbungen
oder Signalabschwächungen sowie die extreme Heterogenität der
Megakaryozytenmorphologie berücksichtigen. Spezifische Herausforderungen für die
Bildgebung und Bildrekonstruktion werden in Angriff genommen und
Lösungsstrategien sowie verbleibende Einschränkungen werden vorgestellt und
diskutiert. Erfreulicherweise profitieren insbesondere die moderne Bildbearbeitung
sowie die Objekterkennung in großem Ausmaß von fortlaufenden Entwicklungen aus
dem Hard- sowie Softwarebereich. Dieses Dissertationsvorhaben zeigt auf
exemplarische Art und Weise auf, wie gemeinsame Forschungsanstrengungen im
Bereich der Biomedizin, des Maschinellen Sehens, der Datenverarbeitung sowie der
Bildtechnologie zu einem tieferen Verständnis der Megakaryopoese führen. Die
maßgeschneiderten Pipelines zur Bilddatenauswertung stützten letztlich die These,
dass größere Megakaryozyten im Knochenmark breit verteilt sind und von einem überraschend dichten Gefäßnetz umgeben sind. Beweise für die Existenz räumlicher
Nischen im Knochenmark konnten nicht gefunden warden. Dieses führte schließlich
zur Vorstellung eines überarbeiteten Modells der Megakaryopoese.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:17854 |
| Date | January 2019 |
| Creators | Schmithausen, Patrick Alexander Gerhard |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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