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Multiscale neuroimaging using synchrotron X-ray phase-contrast tomography
Multiscale neuroimaging using synchrotron X-ray phase-contrast tomography
X-ray phase-contrast tomography (X-PCI-CT) is an emerging imaging technology in the field of biomedicine. This methodology represents an advancement compared to traditional absorption-based X-ray CT in that it can measure phase-shift-inducing X-ray refraction effects in addition to photon attenuation effects. In this way, X-PCI-CT achieves considerably higher image contrast within weakly- or similarly- absorbing materials, e.g. biological soft tissues. Recently, high-resolution X-PCI-CT has been applied as a volumetric microscopy tool to a wide range of biomedical applications, e.g. cartilage, breast, lung and brain imaging. Its post-mortem implementation is increasingly being exploited as a virtual histological tool for label- and dissection-free 3D morphological visualizations and analyses of thick bio-samples. This Thesis work explores the potential of state-of-the-art X-PCI-CT technology for post-mortem neuroimaging applications. Synchrotron X-ray sources in combination with so-called propagation-based and nano-holo-tomography X-PCI-CT setups were used to measure excised central nervous system (CNS) organs from various rodent animal models. Furthermore, proof-of-concept studies on donated human CNS organs were carried out using the same imaging methods. In order to validate and correlate the X-PCI-CT results, extensive multimodal neuroimaging data was obtained using established techniques, such as histology, immunohistochemistry, X-ray fluorescence microscopy, high-field 9.4 T magnetic resonance imaging (MRI), positron emission tomography (PET) and transmission electron microscopy (TEM). By means of a multiscale approach using imaging systems providing voxel sizes starting from 46^3 and down to 0.13 µm^3, full-organ to intra-cellular 3D visualizations of rodent brain and spinal cord neuroanatomy were achieved without the need for contrast agent injection. This approach enabled the study of brain glioblastoma, and of the effects of a spatially-fractionated X-ray radiation therapy, so-called microbeam radiation therapy (MRT), on nervous tissue and micro-vasculature. Interestingly, X-PCI-CT proved sensitive also to age-related intracellular toxic amyloid and tau protein buildup in the brains of a rodent animal model of Alzheimer’s Disease (AD), and the obtained X-PCI-CT data could be exploited for a brain-wide 3D screening and quantification of cellular neurodegeneration. The technique was also successfully employed for the virtual 3D visualization of human spinal cords both before and after medullary soft-tissue dissection, and for the evaluation of cellular and vascular microstructure after different rodent spinal cord sample-preparation protocols, including different aldehyde fixations and osmium staining. Finally, X-PCI-CT was applied for a characterization of vascular abnormalities in a mouse animal model of hypertension, and for the quantitative interpretation of 18F-Florbetaben amyloid-PET signal in an AD mouse model. Overall, these case studies highlight the potential impact of X-PCI-CT imaging methodologies in the field of neuroimaging. Optimized experimental setups and data processing tools, used and implemented within this Thesis work, provided label-, dissection-free and quantifiable high spatial- and contrast-resolution 3D anatomically dense visualizations of the CNS multiscale nervous tissue structure, vasculature and pathology. By bridging a crucial gap in spatial resolution, multiscale X-PCI-CT results were found to contain complementary 3D information with respect to other currently-available state-of-the-art neuroimaging methodologies, and to present unique advantages, which can impact basic neuroscience research and anatomy medical education., Die Röntgen phasen-kontrast tomographie (X-PCI-CT) ist eine entstehende Bildgebungstechnologie auf dem Gebiet der Biomedizin. Diese Methode stellt einen Fortschritt gegenüber der herkömmlichen Röntgen-CT auf Absorptionsbasis dar, da sie zusätzlich zu den Photonenschwächungseffekten phasenverschiebungsinduzierende Röntgenbrechungseffekte messen kann. Auf diese Weise erzielt X-PCI-CT einen erheblich höheren Bildkontrast in schwach oder ähnlich absorbierenden Materialien, z.B. biologische Weichteile. In letzter Zeit wurde hochauflösende X-PCI-CT als volumetrisches Mikroskopiewerkzeug für eine breite Palette biomedizinischer Anwendungen eingesetzt, z.B. Bildgebung von Knorpel, Brust, Lunge und Gehirn. Die post-portem Implementierung wird zunehmend als virtuelles histologisches Werkzeug für markierungs- und sektions-freie morphologische 3D-Visualisierungen und Analysen von dicken Bioproben genutzt. In dieser Doktorarbeit wird das Potenzial der neuesten X-PCI-CT-Technologie für post-mortem Neuroimaging-Anwendungen untersucht. Synchrotron-Röntgenquellen in Kombination mit sogenannten propagationsbasierten und Nano-Holo-Tomographie X-PCI-CT Setups wurden verwendet, um Organe des ausgeschnittenen Zentralnervensystems (ZNS) aus verschiedenen Nagetier-Tiermodellen zu messen. Darüber hinaus wurden proof-of-concept Studien an gespendeten menschlichen ZNS-Organen mit denselben bildgebenden Verfahren durchgeführt. Um die X-PCI-CT-Ergebnisse zu validieren und zu korrelieren, wurden umfangreiche multimodale Neuroimaging-Daten unter Verwendung etablierter Techniken wie Histologie, Immunhistochemie, Röntgenfluoreszenzmikroskopie, Hochfeld-9,4-T-Magnetresonanztomographie (MRI) und Positronenemission Tomographie (PET) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) erhalten. Mittels eines Multiskalen-Ansatzes unter Verwendung von Bildgebungssystemen, die Voxelgrößen von 46^3 bis 0,13 µm^3 bereitstellen, wurden Vollorgan- bis intrazelluläre 3D-Visualisierungen der Neuroanatomie des Gehirns und des Rückenmarks von Nagetieren ohne Kontrastmittelinjektion erzielt. Dieser Ansatz ermöglichte die Untersuchung von Gehirn-Glioblastomas und der Auswirkungen einer räumlich fraktionierten Röntgenstrahlentherapie, der sogenannten Mikrostrahl-Strahlentherapie (MRT), auf Nervengewebe und Mikrogefäße. Interessanterweise erwies sich X-PCI-CT auch als empfindlich gegenüber altersbedingten intrazellulären toxischen Amyloid- und Tau-Protein-Ansammlungen im Gehirn eines Nagetier-Tiermodells der Alzheimer-Krankheit (AD), und die erhaltenen X-PCI-CT-Daten konnten für eine Gehirnweites 3D-Screening und Quantifizierung der zellulären Neurodegeneration genutzt werden. Die Technik wurde auch erfolgreich zur virtuellen 3D-Visualisierung des menschlichen Rückenmarks sowohl vor als auch nach der medullären Weichteilsektion und zur Bewertung der zellulären und vaskulären Mikrostruktur nach verschiedenen Probenvorbereitungprotokollen für das Rückenmark von Nagetieren, einschließlich verschiedener Aldehydfixierungen und Osmium Färbung, eingesetzt. Schließlich wurde X-PCI-CT zur Charakterisierung von Gefäßanomalien in einem Maus-Tiermodell für Bluthochdruck und zur quantitativen Interpretation des 18F-Florbetaben-Amyloid-PET-Signals in einem AD-Mausmodell angewendet. Insgesamt zeigen diese Fallstudien die möglichen Auswirkungen von X-PCI-CT-Bildgebungsmethoden auf das Gebiet der Bildgebung. Optimierte Versuchsaufbau und Datenverarbeitung, die im Rahmen dieser Arbeit verwendet und implementiert wurden, lieferten markierungs-, sektions-freie und quantifizierbare anatomisch dichte 3D-Visualisierungen der Struktur, des Gefäßsystems und der Pathologie des ZNS Multiskala-Nervengewebes mit hoher räumlicher und kontrastauflösender Auflösung. Durch die Überbrückung einer entscheidenden Lücke in räumlichen Auflösung wurde festgestellt, dass multiskala X-PCI-CT-Ergebnisse komplementäre 3D-Informationen in Bezug auf andere derzeit verfügbare Methoden der Bildgebung auf dem neuesten Stand der Technik enthalten, und dass sie einzigartige Vorteile anbieten, die sich auf neurowissenschaftliche Forschung und anatomische medizinische Ausbildung auswirken können.
Not available
Barbone, Giacomo E.
2020
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Barbone, Giacomo E. (2020): Multiscale neuroimaging using synchrotron X-ray phase-contrast tomography. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

X-ray phase-contrast tomography (X-PCI-CT) is an emerging imaging technology in the field of biomedicine. This methodology represents an advancement compared to traditional absorption-based X-ray CT in that it can measure phase-shift-inducing X-ray refraction effects in addition to photon attenuation effects. In this way, X-PCI-CT achieves considerably higher image contrast within weakly- or similarly- absorbing materials, e.g. biological soft tissues. Recently, high-resolution X-PCI-CT has been applied as a volumetric microscopy tool to a wide range of biomedical applications, e.g. cartilage, breast, lung and brain imaging. Its post-mortem implementation is increasingly being exploited as a virtual histological tool for label- and dissection-free 3D morphological visualizations and analyses of thick bio-samples. This Thesis work explores the potential of state-of-the-art X-PCI-CT technology for post-mortem neuroimaging applications. Synchrotron X-ray sources in combination with so-called propagation-based and nano-holo-tomography X-PCI-CT setups were used to measure excised central nervous system (CNS) organs from various rodent animal models. Furthermore, proof-of-concept studies on donated human CNS organs were carried out using the same imaging methods. In order to validate and correlate the X-PCI-CT results, extensive multimodal neuroimaging data was obtained using established techniques, such as histology, immunohistochemistry, X-ray fluorescence microscopy, high-field 9.4 T magnetic resonance imaging (MRI), positron emission tomography (PET) and transmission electron microscopy (TEM). By means of a multiscale approach using imaging systems providing voxel sizes starting from 46^3 and down to 0.13 µm^3, full-organ to intra-cellular 3D visualizations of rodent brain and spinal cord neuroanatomy were achieved without the need for contrast agent injection. This approach enabled the study of brain glioblastoma, and of the effects of a spatially-fractionated X-ray radiation therapy, so-called microbeam radiation therapy (MRT), on nervous tissue and micro-vasculature. Interestingly, X-PCI-CT proved sensitive also to age-related intracellular toxic amyloid and tau protein buildup in the brains of a rodent animal model of Alzheimer’s Disease (AD), and the obtained X-PCI-CT data could be exploited for a brain-wide 3D screening and quantification of cellular neurodegeneration. The technique was also successfully employed for the virtual 3D visualization of human spinal cords both before and after medullary soft-tissue dissection, and for the evaluation of cellular and vascular microstructure after different rodent spinal cord sample-preparation protocols, including different aldehyde fixations and osmium staining. Finally, X-PCI-CT was applied for a characterization of vascular abnormalities in a mouse animal model of hypertension, and for the quantitative interpretation of 18F-Florbetaben amyloid-PET signal in an AD mouse model. Overall, these case studies highlight the potential impact of X-PCI-CT imaging methodologies in the field of neuroimaging. Optimized experimental setups and data processing tools, used and implemented within this Thesis work, provided label-, dissection-free and quantifiable high spatial- and contrast-resolution 3D anatomically dense visualizations of the CNS multiscale nervous tissue structure, vasculature and pathology. By bridging a crucial gap in spatial resolution, multiscale X-PCI-CT results were found to contain complementary 3D information with respect to other currently-available state-of-the-art neuroimaging methodologies, and to present unique advantages, which can impact basic neuroscience research and anatomy medical education.

Abstract

Die Röntgen phasen-kontrast tomographie (X-PCI-CT) ist eine entstehende Bildgebungstechnologie auf dem Gebiet der Biomedizin. Diese Methode stellt einen Fortschritt gegenüber der herkömmlichen Röntgen-CT auf Absorptionsbasis dar, da sie zusätzlich zu den Photonenschwächungseffekten phasenverschiebungsinduzierende Röntgenbrechungseffekte messen kann. Auf diese Weise erzielt X-PCI-CT einen erheblich höheren Bildkontrast in schwach oder ähnlich absorbierenden Materialien, z.B. biologische Weichteile. In letzter Zeit wurde hochauflösende X-PCI-CT als volumetrisches Mikroskopiewerkzeug für eine breite Palette biomedizinischer Anwendungen eingesetzt, z.B. Bildgebung von Knorpel, Brust, Lunge und Gehirn. Die post-portem Implementierung wird zunehmend als virtuelles histologisches Werkzeug für markierungs- und sektions-freie morphologische 3D-Visualisierungen und Analysen von dicken Bioproben genutzt. In dieser Doktorarbeit wird das Potenzial der neuesten X-PCI-CT-Technologie für post-mortem Neuroimaging-Anwendungen untersucht. Synchrotron-Röntgenquellen in Kombination mit sogenannten propagationsbasierten und Nano-Holo-Tomographie X-PCI-CT Setups wurden verwendet, um Organe des ausgeschnittenen Zentralnervensystems (ZNS) aus verschiedenen Nagetier-Tiermodellen zu messen. Darüber hinaus wurden proof-of-concept Studien an gespendeten menschlichen ZNS-Organen mit denselben bildgebenden Verfahren durchgeführt. Um die X-PCI-CT-Ergebnisse zu validieren und zu korrelieren, wurden umfangreiche multimodale Neuroimaging-Daten unter Verwendung etablierter Techniken wie Histologie, Immunhistochemie, Röntgenfluoreszenzmikroskopie, Hochfeld-9,4-T-Magnetresonanztomographie (MRI) und Positronenemission Tomographie (PET) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) erhalten. Mittels eines Multiskalen-Ansatzes unter Verwendung von Bildgebungssystemen, die Voxelgrößen von 46^3 bis 0,13 µm^3 bereitstellen, wurden Vollorgan- bis intrazelluläre 3D-Visualisierungen der Neuroanatomie des Gehirns und des Rückenmarks von Nagetieren ohne Kontrastmittelinjektion erzielt. Dieser Ansatz ermöglichte die Untersuchung von Gehirn-Glioblastomas und der Auswirkungen einer räumlich fraktionierten Röntgenstrahlentherapie, der sogenannten Mikrostrahl-Strahlentherapie (MRT), auf Nervengewebe und Mikrogefäße. Interessanterweise erwies sich X-PCI-CT auch als empfindlich gegenüber altersbedingten intrazellulären toxischen Amyloid- und Tau-Protein-Ansammlungen im Gehirn eines Nagetier-Tiermodells der Alzheimer-Krankheit (AD), und die erhaltenen X-PCI-CT-Daten konnten für eine Gehirnweites 3D-Screening und Quantifizierung der zellulären Neurodegeneration genutzt werden. Die Technik wurde auch erfolgreich zur virtuellen 3D-Visualisierung des menschlichen Rückenmarks sowohl vor als auch nach der medullären Weichteilsektion und zur Bewertung der zellulären und vaskulären Mikrostruktur nach verschiedenen Probenvorbereitungprotokollen für das Rückenmark von Nagetieren, einschließlich verschiedener Aldehydfixierungen und Osmium Färbung, eingesetzt. Schließlich wurde X-PCI-CT zur Charakterisierung von Gefäßanomalien in einem Maus-Tiermodell für Bluthochdruck und zur quantitativen Interpretation des 18F-Florbetaben-Amyloid-PET-Signals in einem AD-Mausmodell angewendet. Insgesamt zeigen diese Fallstudien die möglichen Auswirkungen von X-PCI-CT-Bildgebungsmethoden auf das Gebiet der Bildgebung. Optimierte Versuchsaufbau und Datenverarbeitung, die im Rahmen dieser Arbeit verwendet und implementiert wurden, lieferten markierungs-, sektions-freie und quantifizierbare anatomisch dichte 3D-Visualisierungen der Struktur, des Gefäßsystems und der Pathologie des ZNS Multiskala-Nervengewebes mit hoher räumlicher und kontrastauflösender Auflösung. Durch die Überbrückung einer entscheidenden Lücke in räumlichen Auflösung wurde festgestellt, dass multiskala X-PCI-CT-Ergebnisse komplementäre 3D-Informationen in Bezug auf andere derzeit verfügbare Methoden der Bildgebung auf dem neuesten Stand der Technik enthalten, und dass sie einzigartige Vorteile anbieten, die sich auf neurowissenschaftliche Forschung und anatomische medizinische Ausbildung auswirken können.