Image analysis and modelling of the infarcted heart response at the microvascular level

Gkontra, Polyxeni (2018). Image analysis and modelling of the infarcted heart response at the microvascular level. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.52729.

Descripción

Título: Image analysis and modelling of the infarcted heart response at the microvascular level
Autor/es:
  • Gkontra, Polyxeni
Director/es:
  • García Arroyo, Alicia
  • Santos Lleó, Andrés de
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2018
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Departamento: Ingeniería Electrónica
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

The coronary microvasculature comprises the smallest blood vessels of the cardiac tissue. It continuously adapts in response to physiological and pathophysiological conditions to meet tissue demands. Quantitative assessment of the dynamic changes taking place in the coronary microvasculature is therefore crucial in enhancing our knowledge regarding the impact of cardiovascular disease on tissue perfusion and on developing efficient angiotherapies. This thesis focuses on deciphering the structural and functional changes that occur at the microvascular level, at various stages after myocardial infarction (1, 3, and 7 days following damage). Towards this aim, we have adopted an interdisciplinary approach which combines confocal microscopy, fully automated 3D image analysis and mathematical modelling. We used thick cardiac tissue sections labelled for nuclei, endothelial cell junctions and smooth muscle cells and we imaged them by confocal microscopy. Firstly, we developed a novel method for the segmentation of labelled structures from confocal images as well as an innovative approach for the accurate 3D reconstruction of the microvasculature based on endothelial cell junction and smooth muscle actin staining. Subsequently, we designed a fully automated image analysis pipeline to extract parameters that quantify all major features of the microvasculature, its relation to smooth muscle actin-positive cells and capillary diffusion regions. The novel pipeline was applied to the analysis of the coronary microvasculature from healthy tissue and also tissue at various stages after myocardial infarction. We used the pig animal model, whose coronary vasculature closely resembles that of human tissue. We discovered alterations in the microvasculature, particularly structural changes and angioadaptation resulting in altered capacity for oxygen diffusion in the aftermath of myocardial infarction. In addition, we evaluated the extracted knowledge’s potential in terms of predicting the pathophysiological condition of the tissue. The high accuracy achieved in this respect, demonstrates the ability of our approach not only to quantify and identify pathology-related changes of microvascular beds, but also to predict complex and dynamic microvascular patterns. Lastly, the anatomical data obtained regarding the microvasculature were used to feed a continuum perfusion model in order to calculate physiologically meaningful permeability tensors. By using this theoretical blood flow modelling approach, we were able to obtain insights into tissue perfusion and to demonstrate the functional effect of the structural changes occurring as a result of myocardial infarction. Overall, this work is a step forward towards increasing our understanding of microvascular alterations after myocardial infarction, modelling microcirculation at different stages after tissue damage and it also provides an unbiased means for the evaluation of potential treatments.------------------- RESUMEN ------------------------ La microvasculatura coronaria comprende los vasos sanguíneos mas pequeños del tejido cardiaco. Se adapta continuamente en respuesta a las condiciones fisiológicas y fisiopatologicas para satisfacer las demandas de los tejidos. La evaluación cuantitativa de los cambios dinámicos que tienen lugar en la microvasculatura coronaria es, por lo tanto, crucial para mejorar nuestro conocimiento sobre el impacto de las enfermedades cardiovasculares en la perfusión tisular y en el desarrollo de angioterapias eficientes. Esta tesis se centra en descifrar los cambios estructurales y funcionales que ocurren a nivel microvascular, en varias etapas después del infarto de miocardio (1, 3 y 7 días después del daño). Con este objetivo, hemos adoptado un enfoque interdisciplinario que combina la microscopia confocal, el análisis de imágenes 3D totalmente automatizado y el modelado matemático. Utilizamos secciones gruesas de tejido cardiaco tenidas para núcleos, uniones de células endoteliales y células de musculo liso vascular y obtuvimos imágenes mediante microscopia confocal. En primer lugar, desarrollamos un método novedoso para la segmentación de estructuras marcadas a partir de imágenes confocales, así como un enfoque innovador para la reconstrucción 3D precisa de la microvasculatura basada en la unión de células endoteliales y la tinción de actina de musculo liso. Posteriormente, diseñamos una pipeline de análisis de imágenes completamente automatizada para extraer parametros que cuantifican todas las características principales de la microvasculatura, su relación con las células de musculo liso que expresan actina y las regiones de difusión capilar. La nueva pipeline se aplicó al análisis de la microvasculatura coronaria de tejido sano y también de tejido en diversas etapas despues del infarto de miocardio. El modelo animal utilizado fue el cerdo, cuya vasculatura coronaria se parece mucho a la humana. Descubrimos alteraciones en la microvasculatura, particularmente cambios estructurales y angioadaptación que resultan en una capacidad alterada para la difusión de oxigeno después del infarto de miocardio. Además, evaluamos el potencial del conocimiento extraído en términos de predecir la condicion fisiopatologica del tejido. La alta precisión lograda en este sentido, demuestra la capacidad de nuestro abordaje no solo para cuantificar e identificar cambios patológicos de lechos microvasculares, sino también para predecir patrones microvasculares complejos y dinámicos. Por último, los datos anatómicos obtenidos para la microvasculatura se usaron para ¨alimentar¨ un modelo de perfusión continuo con el fin de calcular tensores de permeabilidad fisiológicamente significativos. Al utilizar este enfoque teórico de modelado de flujo sanguíneo, pudimos obtener información sobre la perfusión tisular y demostrar el efecto funcional de los cambios estructurales que ocurren como resultado del infarto de miocardio. En general, este trabajo es un paso adelante para aumentar nuestra comprensión de las alteraciones microvasculares después del infarto de miocardio, modelar la microcirculación en diferentes etapas después del daño tisular y también proporciona un método imparcial para la evaluación de posibles tratamientos.

Más información

ID de Registro: 52729
Identificador DC: http://oa.upm.es/52729/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:52729
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.52729
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 05 Nov 2018 07:59
Ultima Modificación: 06 Nov 2018 14:15
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