Morphometrische Analyse des Azinus der humanen Lunge mittels synchrotron-basierter Mikro-Computertomographie

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals ein vollständiger dreidimensionaler Datensatz des Azinus der humanen Lunge mittels der Synchrotron-basierten Mikro-CT-Technik erstellt und anschließend eine quantitative Untersuchung der Strukturen des Azinus durchgeführt.Eine humane Lunge wurde durch die Beatmung mit Formalindampf in Inspirationsstellung fixiert und in einem 64-Zeilen Computertomographen gescannt. Die anschließend ausgestanzten Proben (N = 12, Durchmesser = 8 mm, Höhe = 10 mm) wurden mit Osmiumtetroxid kontrastverstärkt und mit einer Auflösung von 3,9 µm3 Voxelgröße in einem Mikro-CT mit Synchrotronstrahlenquelle gescannt. Mit einem automatisierten Tree-Analysis Softwareprogramm konnten 8 Azini aus dem Volumendatensatz segmentiert werden. Die Morphometrischen Daten wurden mit dem Softwareprogramm ANALYZE 9.0 erhoben. Die Atemwege innerhalb der Azini verzweigten sich über 11 Generationen. Das mittlere Azinusvolumen wurde mit 131,3 ± 29,2 mm3 berechnet und die mittlere Oberfläche des Azinus betrug 1012 ± 26 cm2. Der Innere Durchmesser verringerte sich ausgehend von dem Bronchiolus terminalis von 0,66 ± 0,04 mm auf 0,34 ± 0,06 mm (P < 0,001) und blieb nach der siebten Generation konstant (P < 0,5). Die Länge der einzelnen Generationen variierte zwischen 0,52 und 0,93 mm und zeigte keine signifikanten Unterschiede zwischen der zweiten und elften Generation. Der Verzweigungswinkel der Tochteräste schwankte zwischen 113º und 134º ohne signifikante Unterschiede zwischen den Generationen (P < 0,3). Die in vorangegangenen Arbeiten gezeigten Ergebnisse bezüglich der Morphometrie des humanen Azinus basieren auf den Methoden der Histomorphometrie. Diese arbeitet gewebedestruktiv und stellt lediglich Rückschlüsse von zweidimensionalen Serienschnitten auf dreidimensionale Strukturen her. Unsere Arbeit zeigt die Möglichkeit der quantitativen Erfassung der Strukturen des Azinus anhand eines vollständigen Volumendatensatzes unter Verwendung der Synchrotron- basierten Mikro-CT- Technik.

Structural data about the human lung fin structure are mainly based on stereological methods applied to serial sections. As these methods utilize 2D images, which are often not contiguous, they suffer from inaccuracies which are overcome by analysis of 3D micro-CT images of the never-sectioned specimen. The purpose of our study was to generate a complete data set of the intact three-dimensional architecture of the human acinus using high resolution synchrotron-based micro-CT (synMCT). A human lung was inflation-fixed by formaldehyde ventilation and then scanned in a 64-slice CT over its apex to base extent. Lung samples (8-mm diameter, 10 mm height, N = 12) were punched out, stained with osmium tetroxide, and scanned using synMCT at (4 µm)3 voxel size. The lung functional unit (acinus, N = 8) was segmented from the 3D tomographic image using an automated tree-analysis software program. Morphometric data of the lung were analyzed by ANOVA. Intra-acinar airways branching occurred over 11 generations. The mean acinar volume was 131, 3 ± 29, 2 mm3 (range 92, 5- 171, 3 mm3) and the mean acinar surface was calculated with 1012 ± 26 cm2. The airway internal diameter (starting from the bronchiolus terminalis) decreases distally from 0,66 ± 0,04 mm to 0,34 ± 0,06 mm (P < 0,001) and remains constant after the seventh generation (P < 0,5). The length of each generation ranges between 0, 52 and 0, 93 mm and did not show significant differences between the second and eleventh generation. The branching angle between daughter branches varies between 113-degree and 134-degree without significant differences between the generations (P < 0, 3). This study demonstrates the feasibility of quantitating the 3D structure of the human acinus at the spatial resolution readily achievable using synMCT.