Studies of microstructural changes of liver tissue by magnetic resonance elastography and diffusion-sensitive magnetic resonance imaging

Abstract

The liver is a vital organ that is involved in most processes in the body and rapidly adapts to changes in the organism. Pathological and physiological processes are associated with adaptations of the cellular and noncellular (extracellular matrix) tissue components, which can be visualized by medical imaging such as elastography and diffusion-sensitive magnetic resonance imaging. The relationship between microarchitectural changes and the corresponding biophysical manifestations is not yet clear. Elastography is already a standard clinical procedure in liver diagnosis, which requires a deeper understanding of the influence of structural elements on macroscopic imaging properties. In order to properly diagnose pathological processes, with special attention to the early detection of chronic liver diseases such as fibrosis or nonalcoholic fatty liver disease, we must first focus on physiological changes to understand the results of modern imaging techniques. In this work, we studied ex vivo rat livers to determine how structural changes of the liver depend on postmortem time and blood content on the one hand, and to investigate liver adaptation to physiological gestation on the other. We identified three phases in the cascade of postmortem biological events that provide a biophysical imaging fingerprint of liver tissue breakdown. Within the first two hours after death, the viscoelastic properties and also the water diffusion capacity of the liver change rapidly due to cytotoxic edema manifested by enlargement of hepatocytes. This is followed by a stable phase up to ten hours post mortem. In the final phase, the degradation phase, there are changes in cell shape, cell packing pattern, and loss of cell membrane integrity, resulting in higher water diffusivity and an increase in the wave penetration rate. In this study, we demonstrated the individual contributions of vascular components and cellular integrity to the changes observed with imaging techniques. In the second part of this work, we investigated pregnancy-induced changes in microstructure and biophysical properties in the liver. We used the findings from the first study to minimize the effects of additional factors as much as possible. To this end, liver samples were examined under identical conditions during the stable phase - beginning two hours post mortem. Our findings demonstrate that the adaptations of the female organism during pregnancy lead to liver hypertrophy and hyperproliferation of hepatocytes, which cause increased intracellular pressure, increased mechanical resistance, and a decrease in intracellular spaces, resulting in an increase in liver stiffness and wave penetration rate. Due to hypertrophy, cell density per unit area decreases, and fewer cell membranes (which act as barriers to water movement) are present, resulting in an increase in water diffusivity in the livers of pregnant rats. Elastography and diffusion-weighted imaging can detect microstructural changes in liver tissue, and the results of this work provide insight into the processes that affect the biomechanical properties and diffusivity of biological tissue and form the basis for further investigation.

Die Leber als lebenswichtiges Organ ist an den meisten Prozessen im Körper beteiligt und passt sich schnell an Veränderungen im Organismus an. Die pathologischen und physiologischen Prozesse sind mit Anpassungen der zellulären und nichtzellulären (extrazellulären Matrix) Komponenten des Gewebes verbunden, die durch medizinische Bildgebung wie Elastographie und diffusionsempfindliche Magnetresonanztomographie sichtbar gemacht werden können. Der Zusammenhang zwischen mikroarchitektonischen Veränderungen und den entsprechenden biophysikalischen Manifestationen ist noch nicht klar. Die Elastographie ist bereits ein klinisches Standardverfahren in der Leberdiagnostik, das ein tieferes Verständnis des Einflusses von Strukturelementen auf die makroskopischen Bildeigenschaften erfordert. Um pathologische Prozesse richtig zu diagnostizieren, müssen wir uns zunächst auf physiologische Veränderungen konzentrieren, die Ergebnisse moderner bildgebender Verfahren interpretieren lernen und erst dann in der Lage sein, diese Befunde zur Früherkennung chronischer Lebererkrankungen wie Fibrose oder nichtalkoholischer Fettleber einzusetzen. In dieser Arbeit haben wir ex vivo Rattenlebern untersucht, um einerseits die postmortalen Zeit- und Blutgehaltsabhängigkeiten der strukturellen Veränderungen der Leber zu bestimmen und andererseits die Anpassungen der Leber an die physiologische Trächtigkeit zu untersuchen. Wir identifizierten drei Phasen in der Kaskade postmortaler biologischer Ereignisse, die einen biophysikalischen bildgebenden Fingerabdruck des Lebergewebeabbaus liefern. Innerhalb der ersten zwei Stunden postmortal ändern sich die viskoelastischen Eigenschaften und auch die Wasserdiffusionskapazität der Leber aufgrund eines zytotoxischen Ödems, das sich in einer Vergrößerung der Hepatozyten manifestiert, rasch. Es folgt eine stabile Phase bis zu zehn Stunden post mortem. In der letzten Phase, der Abbauphase, kommt es zu Veränderungen der Zellform, des Zellpackungsmusters und zum Verlust der Integrität der Zellmembran, was zu einer höheren Wasserdiffusionsfähigkeit und einem Anstieg der Wellendurchdringungsrate führt. In dieser Studie haben wir den individuellen Beitrag der vaskulären Komponenten und der zellulären Integrität zu den mit bildgebenden Verfahren beobachteten Veränderungen nachgewiesen. Im zweiten Teil dieser Arbeit untersuchten wir die schwangerschaftsbedingten Veränderungen der Mikrostruktur und der biophysikalischen Eigenschaften in der Leber. Wir nutzten die Erkenntnisse aus der ersten Studie, um den Einfluss zusätzlicher Faktoren so weit wie möglich zu minimieren. Zu diesem Zweck wurden die Leberproben unter identischen Bedingungen während der stabilen Phase - beginnend zwei Stunden post mortem - untersucht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Anpassungen des weiblichen Organismus während der Schwangerschaft zu einer Leberhypertrophie und Hyperproliferation der Hepatozyten führen, die die Ursache für einen erhöhten intrazellulären Druck, einen erhöhten mechanischen Widerstand und eine Verringerung der intrazellulären Räume sind, was zu einer Erhöhung der Lebersteifigkeit und der Wellendurchdringungsrate führt. Aufgrund der Hypertrophie nimmt die Zelldichte pro Flächeneinheit ab, und es sind weniger Zellmembranen (die als Barrieren für die Wasserbewegung fungieren) vorhanden, was zu einem Anstieg der Wasserdiffusionsfähigkeit in den Lebern trächtiger Ratten führt. Mit Hilfe der Elastographie und der diffusionsgewichteten Bildgebung lassen sich mikrostrukturelle Veränderungen im Lebergewebe nachweisen. Die Ergebnisse dieser Arbeit geben Aufschluss über die Prozesse, die die biomechanischen Eigenschaften und die Diffusionsfähigkeit des Gewebes beeinflussen, und bilden die Grundlage für weitere Untersuchungen.