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Patrick Wurzel

• Das adaptive Immunsystem schützt den Menschen vor extra- wie auch intrakorporal auftretenden Pathogenen und Krebszellen. Die Funktionalität dieses Prozesses geht hierbei auf die Interaktion und Kooperation einer Vielzahl verschiedener Zelltypen des Körpers zurück und ist vorwiegend innerhalb der Lymphknoten lokalisiert. Ist auch nur ein Bestandteil dieses sensiblen Prozesses gestört, kann dies zu einem teilweisen oder vollständigen Verlust der immunologischen Fitness des Menschen führen. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, solche Aberrationen des humanen Lymphknotengewebes umfassend digital-pathologisch zu detektieren und zu definieren. Hierfür wurde zunächst eine digitale Gewebedatenbank etabliert. Diese basiert auf dem im Rahmen dieser Arbeit implementierten Content-Management-System Digital Tissue Management Suite. Weiterhin wurde die Software Feature analysis in tissue histomorphometry entwickelt, welche die Analyse von zweidimensionalen whole slide images ermöglicht. Hierbei werden Methoden aus dem Bereich Computer Vision und Graphentheorie eingesetzt, um morphologische und distributionale Eigenschaften der Zelltypen des Lymphknotens zu charakterisieren. Darüber hinaus enthält diese Software Plug-ins zur Visualisierung und statistischen Analyse der Daten. Aufbauend auf der eigens implementierten, digitalen Infrastruktur, in Kombination mit der Software Imaris wurden zweidimensional und dreidimensional gescannte, reaktive und neoplastische Gewebeproben digital phänotypisiert. Hierbei konnten neue mechanische Barrieren zur Kompartimentalisierung der Keimzentren aufgeklärt werden. Weiterhin konnte der Erhalt des quantitativen Verhältnisses einzelner Zellpopulationen innerhalb der Keimzentren beschrieben werden. Ausgehend von den reaktiven Phänotypen des Lymphknotens, wurden pathophysiologische Aberrationen in verschiedenen lymphatischen Neoplasien untersucht. Hierbei konnte gezeigt werden, dass speziell die strukturelle Destruktion häufig mit einer morphologischen Veränderung der fibroblastischen Retikulumzellen einhergeht. Neben strukturellen Veränderungen sind auch zytologische Veränderungen der Tumormikroumgebung zu verzeichnen. Eine besondere Rolle spielen hierbei sogenannte Tumor-assoziierte Makrophagen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass speziell Makrophagen in der Tumormikroumgebung des diffus großzelligen B-Zell-Lymphoms und der chronisch lymphatischen Leukämie spezifische pathophysiologische Veränderungen aufzeigen. Auch konnte gezeigt werden, dass genetische Änderungen neoplastischer B-Zellen mit einer generellen Reduktion der CD20-Antigendichte einhergehen. Zusammenfassend ermöglichten die Ergebnisse die Generierung eines umfassenden digital-pathologischen Profils des klassischen Hodgkin-Lymphoms. Hierbei konnten morphologische Veränderungen neoplastischer, CD30-positiver Hodgkin-Reed-Sternberg-Zellen validiert und beschrieben werden. Auch konnten pathologische Veränderungen des Konnektoms und der Tumormikroumgebung dieser Zellen parametrisiert und quantifiziert werden. Abschließend wurde unter Anwendung eines Random forest-Klassifikators die diagnostische Potenz digital-pathologischer Profile evaluiert und validiert.
• The adaptive immune system defends humans’ from extra- and intracorporeally occurring pathogens and cancer cells. This process is based on the interaction and cooperation of diverse cell populations within lymph nodes. If even one component of this sensitive process is disturbed, a partial or complete loss of immunological fitness in humans can be found. To recognize and understand such disturbances at an early stage, this work aimed to detect and define new digital biomarkers for benign and malignant aberrations of human lymph nodes. For this purpose, a digital biobank was established. For the management of this biobank a new content management system named Digital Tissue Management Suite was developed. In addition, the digital pathology software Feature analysis in tissue histomorphometry was implemented to analyze whole slide images. Feature analysis in tissue histomorphometry comprised methods from Computer vision to detect and analyze cell objects and methods from data science to visualize and statistically analyze the data. To analyze three-dimensional images the software IMARIS was used. Based on the IT infrastructure, it was possible, to digitally phenotype reactive and neoplastic tissue samples. Here, wall-like structures supporting compartmentalization by enclosing the germinal centers could be described for the first time. In addition, the conservation of quantitative ratios of individual cell populations within germinal centers could be shown. The ongoing process of phenotyping intact, reactive tissue enabled the detection and description of neoplastic lymphoid aberrations. Here, it could be shown that structural aberrations like the decompartimentalization process are mostly correlated with morphological alterations of fibroblastic reticulum cells. Cells that are also associated with these structural changes are called tumor-associated macrophages. Analyzing the distribution and morphology of macrophages in the tumor microenvironment revealed specific patterns, especially for tissue samples showing diffuse large B-cell lymphoma and chronic lymphocyte leukemia. Besides alterations in the tumor microenvironment, it could be proven that neoplastic cells show less dense CD20-antigen expressions on the cell surface. Finally, all the findings were utilized for a holistic and detailed characterization of tissue samples with a diagnosed Hodgkin lymphoma. Here, known morphological alterations could be validated. Pathological changes in the connectomes and the tumor microenvironment of tumor cells could be revealed. Conclusively, the diagnostic potential of such digital pathology profiles could be demonstrated.