3D virtual histopathology of cardiac tissue from Covid-19 patients based on phase-contrast X-ray tomography

Abstract

We have used phase-contrast X-ray tomography to characterize the three-dimensional (3d) structure of cardiac tissue from patients who succumbed to Covid-19. By extending conventional histopathological examination by a third dimension, the delicate pathological changes of the vascular system of severe Covid-19 progressions can be analyzed, fully quantified and compared to other types of viral myocarditis and controls. To this end, cardiac samples with a cross section of 3:5mm were scanned at a laboratory setup as well as at a parallel beam setup at a synchrotron radiation facility. The vascular network was segmented by a deep learning architecture suitable for 3d datasets (V-net), trained by sparse manual annotations. Pathological alterations of vessels, concerning the variation of diameters and the amount of small holes, were observed, indicative of elevated occurrence of intussusceptive angiogenesis, also confirmed by high resolution cone beam X-ray tomography and scanning electron microscopy. Furthermore, we implemented a fully automated analysis of the tissue structure in form of shape measures based on the structure tensor. The corresponding distributions show that the histopathology of Covid-19 differs from both influenza and typical coxsackie virus myocarditis.

The synchrotron radiation source PETRA III and its future ultra-low-emittance upgrade PETRA IV

“…With this, it makes an important contribution to solving the grand societal challenges, e.g. in human health [21,22], energy [23,24], mobility, information, and earth and environment and ranges from fundamental science [1-3, 25, 26] to industrial applications [9,[27][28][29][30]. A key strength is to perform experiments in situ and under working conditions, giving insight into processes, e.g.…”

“…During the Covid-19 pandemic, PETRA III was fully operational for external users at all times, following strict hygiene rules. In 2020 and 2021, PETRA III has, for instance, contributed to challenge-driven research, by (i) searching for anti-viral drugs by massive drug screening [22] and for synthetic nanobodies against SARS-CoV-2 [33], (ii) supporting vaccine development by studies concerning drug delivery [28][29][30] at EMBL beamline P12 in collaboration with the German biopharmaceutical company BioNTech, and by (iii) giving insight into the histology of lung [34] and heart tissue, recovered from Covid-19 victims, by tomographic phase-contrast microscopy [21].…”

Update Thoraxpathologie 2022 – Bericht der Arbeitsgemeinschaft Thoraxpathologie der Deutschen Gesellschaft für Pathologie

“…Tobias Bald aus Bonn berichtete über seine Studie „C-reactive protein flare predicts response to checkpoint inhibitor treatment in non-small cell lung cancer“, einem vielversprechenden Serummarker für das Ansprechen auf eine Checkpoint-Inhibitor-Therapie im NSCLC [ 3 ]. Christopher Werlein aus der Arbeitsgruppe von Danny Jonigk in Hannover sprach über „Novel imaging to unravel intricate questions: COVID-19 and beyond“ und stellte uns in diesem Zug auch gleich die innovative zerstörungsfreie Histologie mittels hochauflösender Mikrocomputertomographie mithilfe von Synchrotron-Strahlung vor [ 4 ]. Johannes Brägelmann aus Köln sprach über seine Forschungsergebnisse zum Thema „MAPK-pathway inhibition mediates inflammatory reprogramming and sensitizes tumors to targeted activation of innate immunity sensor RIG-I“, einem Ansatz, welcher für die Überwindung von Resistenz bei zielgerichteter Therapie bedeutsam sein könnte [ 5 ].…”

Auf dem Weg zum virtuellen Mikroskop: Synchrotron-basierte dreidimensionale Bildgebung in der Pathologie

“…Neben der Darstellung ganzer Organe über das Verfahren der hierarchischen Phasenkontrast-Computertomografie (HiP-CT) haben wir in enger Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Tim Salditt, Institut für Röntgenphysik der Universität Göttingen, ein Verfahren der virtuellen Histologie mitentwickelt, was es nun auch ermöglicht, paraffineingebettete Gewebeproben hochauflösend und zielgenau zu analysieren [ 14 , 15 ]. Hierfür haben wir nach vorheriger Annotation auf einem HE-gefärbten Schnitt eine Biopsiestanze mit einem Durchmesser von 3,5 mm entnommen, die auf einer speziellen Halterung der GINIX-Endstation der Deutschen Synchrotronquelle DESY in Hamburg gescannt wurden (Abb.…”

“…3 ). Mithilfe der sogenannten Cone-Beam-Geometrie können somit effektive Voxelgrößen unter 200 nm erreicht werden, was eine Darstellung der dreidimensionalen Zytomorphologie ermöglicht [ 14 , 15 ]. Unter dem Einfluss der globalen COVID-19-Pandemie haben wir insbesondere Paraffinblöcke von Lungen- und Herzgewebe von COVID-19-Verstorbenen analysiert [ 14 – 18 ].…”