Quantification of the biophysical properties of the liver in correlation with microstructural and vascular changes using multimodal imaging

Abstract

This thesis investigates the relationship between liver disease pathology and its macroscopic biomechanical properties using multiparametric MRI (mp-MRI) and magnetic resonance elastography (MRE). Study 1 explored how portal hypertension affects liver stiffness, vascular volumes, and water diffusivity, proposing liver stiffness and water diffusivity as non-invasive markers for liver injury and sinusoidal hyperpermeability. Study 2 linked liver stiffness and viscosity as measured by MRE with metabolic changes and, by that, identified MRE-derived parameters as indicators of metabolic reserve capacities of the liver. Study 3 utilised a novel high-resolution MRE protocol to study zebrafish tissue, revealing microstructural heterogeneity and its influence on macroscopic MRE parameters. Collectively, these studies highlight MRE's sensitivity to pathological changes in vascular, metabolic, and microstructural features, suggesting its potential for improved non-invasive diagnosis and monitoring of liver diseases.

Die Stoffwechselfunktion der Lebe hängt von ihrer feinen, fraktalen Matrixarchitektur aus dicht gepackten, von zahlreichen Blutgefäßen versorgten, Zellen ab. Die Wechselwirkungen innerhalb dieser fest-flüssigen Leberkompartimente und ihr Einfluss auf die makroskopischen, biophysikalischen, durch medizinische Bildgebung Messbaren Eigenschaften des Organs sind noch unzureichend verstanden. Um diese Wissenslücke zu schließen, führten wir drei präklinische, die Multifrequenz Magnetresonanz-Elastographie (MRE), multiparametrische Magnetresonanztomographie (mp-MRI) sowie histologische und biochemische Gewebecharakterisierungen umfassende Studien durch. In der ersten Studie untersuchten wir mechanische Wechselwirkungen zwischen den festen und flüssigen Komponenten der Leber und deren Auswirkungen auf die biophysikalischen Eigenschaften. 20 ex vivo Rattenlebern wurden künstlich durchblutet und mittels MRE und mp-MRI, in vier Szenarien mit variierter Lebereinbettung, Gewebevernetzung, Viskosität des Perfusionsmediums sowie variiertem Portaldruck untersucht. Mit steigendem Druck nahmen, insbesondere bei nicht eingebetteten Lebern, der Gefäß-Gewebe-Volumenanteil (VTVF) und die Wasserdiffusion signifikant zu. In allen Szenarien, außer bei erhöhter Viskosität des Perfusionsmediums, die zu einer Versteifung der Leber führte, wurde ein Lebererweichung beobachtet. In der zweiten Studie untersuchten wir ob mittels MRE, die funktionelle Reservekapazität der Leber vorhergesagt werden kann. 19 Kaninchen wurden mit einem PET/MRI-Scanner untersucht, um Lebersteifigkeit und -viskosität zu messen. Steife Lebern zeigten eine niedrige Triacylglycerinspeicherkapazität und hohe Glukogenese- und Cholesterinsynthesekapazitäten, während weiche Lebern das gegenteilige Profil aufwiesen. Steifigkeit korrelierte negativ mit der Glukogenese (R = -0,5, p < 0,05), und Viskosität mit der Harnstoffproduktion (R = -0,5, p < 0,01) und dem Glutamin-Austausch (R = -0,47, p < 0,05). In der dritten Studie entwickelten wir mikroskopische MRE, um die biomechanischen Eigenschaften gesunder und Neuroblastom-befallener Zebrafische zu untersuchen. Mit einem 7T-Scanner wurden hochaufgelöste Steifigkeits- und Fluiditätskarten der Zebrafischhirne erstellt, die unterschiedliche biomechanische Eigenschaften in verschiedenen Hirnsubregionen und bei Neuroblastomen zeigten. Besonders das Mittelhirn war steifer als das optische Tektum und das Telencephalon, während das Kleinhirn eine höhere Fluidität aufwies. Neuroblastome zeigten die geringste Steifigkeit und Viskosität aller untersuchten Gewebe. Zusammenfassend zeigten die drei präklinischen MRE-mpMRI-Studien, dass makroskopische biomechanische Eigenschaften wie Steifigkeit und Fluidität mit strukturellen und funktionellen Parametern wie Gefäß-Fluidität, Stoffwechselkapazität und mikroskopischer Gewebearchitektur zusammenhängen. Diese Erkenntnisse unterstreichen die Sensitivität und Bedeutung biophysikbasierter Bildgebung für die Entwicklung diagnostischer Marker für hepatische Pathologien und Neuroblastoma.