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Background: Organoids are morphologically heterogeneous three-dimensional cell culture systems and serve as an ideal model for understanding the principles of collective cell behaviour in mammalian organs during development, homeostasis, regeneration, and pathogenesis. To investigate the underlying cell organisation principles of organoids, we imaged hundreds of pancreas and cholangiocarcinoma organoids in parallel using light sheet and bright-field microscopy for up to 7 days.
Results: We quantified organoid behaviour at single-cell (microscale), individual-organoid (mesoscale), and entire-culture (macroscale) levels. At single-cell resolution, we monitored formation, monolayer polarisation, and degeneration and identified diverse behaviours, including lumen expansion and decline (size oscillation), migration, rotation, and multi-organoid fusion. Detailed individual organoid quantifications lead to a mechanical 3D agent-based model. A derived scaling law and simulations support the hypotheses that size oscillations depend on organoid properties and cell division dynamics, which is confirmed by bright-field microscopy analysis of entire cultures.
Conclusion: Our multiscale analysis provides a systematic picture of the diversity of cell organisation in organoids by identifying and quantifying the core regulatory principles of organoid morphogenesis.
In three-dimensional light microscopy, the heterogeneity of the optical density in a specimen ultimately limits the achievable penetration depth and hence the three-dimensional resolution. The most direct approach to reduce aberrations, improve the contrast and achieve an optimal resolution is to minimise the impact of changes of the refractive index along an optical path. Many implementations of light sheet fluorescence microscopy operate with a large chamber filled with an aqueous immersion medium and a further inner container with the specimen embedded in a possibly entirely different non-aqueous medium. In order to minimise the impact of the latter on the optical quality of the images, we use multi-facetted cuvettes fabricated from vacuum-formed ultra-thin fluorocarbon (FEP) foils. The ultra-thin FEP-foil cuvettes have a wall thickness of about 10–12 µm. They are impermeable to liquids, but not to gases, inert, durable, mechanically stable and flexible. Importantly, the usually fragile specimen can remain in the same cuvette from seeding to fixation, clearing and observation, without the need to remove or remount it during any of these steps. We confirm the improved imaging performance of ultra-thin FEP-foil cuvettes with excellent quality images of whole organs such us mouse oocytes, of thick tissue sections from mouse brain and kidney as well as of dense pancreas and liver organoid clusters. Our ultra-thin FEP-foil cuvettes outperform many other sample-mounting techniques in terms of a full separation of the specimen from the immersion medium, compatibility with aqueous and organic clearing media, quick specimen mounting without hydrogel embedding and their applicability for multiple-view imaging and automated image segmentation. Additionally, we show that ultra-thin FEP foil cuvettes are suitable for seeding and growing organoids over a time period of at least ten days. The new cuvettes allow the fixation and staining of specimens inside the holder, preserving the delicate morphology of e.g. fragile, mono-layered three-dimensional organoids.
Das ehemals Stummrigefeld genannte Gebiet zwischen Höxter und Godelheim stellt einen vielgestaltigen und stark dem Wandel unterliegenden Teil der Kulturlandschaft in der Weseraue dar. Der Kulturraum vereint in sich stark von Menschenhand überprägte und naturnahe Bereiche, ur- und frühgeschichtliche, mittelalterliche und neuzeitliche Elemente der Kulturlandschaft. Insofern stellt er einen geeigneten und interessanten Kleinraum für die "historische Landschaftsanalyse" dar. In der Weseraue zwischen Godelheim und Höxter befand sich, vor dem 20. Jahrhundert weit umfangreicher als heute sichtbar, ein Mosaik aus Hochflutrinnen, verlandeten Altarmen, Bereichen von Randsenke und Niederterrasse. Sie wurden schon vom urgeschichtlichen Menschen schrittweise in Besitz genommen und kultiviert. Dieser lebte möglicherweise seit der zweiten Hälfte des 5. Jahrtausends v. Chr. in der unmittelbaren Umgebung Höxters sowie seit mindestens dem 4. Jahrtausend v. Chr. auf der Sandwiese nördlich von Godelheim. Beispielhaft für den mittelalterlichen Landschaftsausbau steht der Flurname Sandwiese (santwisch), der als Oberbegriff für die landwirtschaftlichen Nutzflächen seit dem 14. Jahrhundert durch das jüngere Stummrigefeld (stummerfeld) abgelöst wurde. In diesem Ablösungsprozess spiegeln sich politische Anstrengungen und gewandelte Raumauffassungen der höxterschen Stadtgemeinde wider, die besonders in der Errichtung einer Landwehr im 14. Jahrhundert zum Ausdruck kommen. Der hierdurch zum Ausdruck gebrachte Raum- und Herrschaftsanspruch konnte aber wohl nur bis ins 17. Jahrhundert aufrecht erhalten werden. Bereits im 14. und 15. Jahrhundert sind ehemalige Sumpf- und Bruchflächen, wie zum Beispiel der Aubruch (obroke) und die beiden Kolke, zu Ackerland umgeformt, während vermutlich erst seit dem 16. Jahrhundert die Lake zum Hainanger und der Siek zum Siekbruch, d. h. zu Wiesen- und Weideflächen umgewandelt wurden. Auch im großen Bruch lässt sich für das späte Mittelalter und die frühe Neuzeit ein Nutzungswandel belegen: Noch zu Beginn des 15. und in der Mitte des 17. Jahrhunderts finden sich hier Waldflächen, über deren genauen Umfang allerdings keine Aussagen getroffen werden können. Nur im Umfeld der Grundlosen konnten sich offene Gewässerflächen und Sumpfzonen über die Jahrhunderte hin erhalten, während alle anderen Bruchflächen im Bereich des Stummrigefeldes vollständig entwässert und kultiviert und einer intensivierten Nutzung unterzogen wurden. Ansatzweise kann mit Hilfe von historischen Schrift- und Bildquellen eine fortschreitende Umwandlung der Feuchtbereiche in der Weseraue zu Wiesen- oder Ackerflächen aufgezeigt werden, die aus Sicht des Menschen bis weit ins 20. Jahrhundert hinein stets als Melioration, als Verbesserung aufgefasst wurde. Nach der teilweisen Einstellung der Oberflächennutzung wurde das Abbaugebiet, auf dem sich einst ein Hospital und Siechenhaus befand, in ein Freizeitgelände umgewandelt. Erst in jüngerer Zeit sieht man den Wert des Seengebietes für Erholungssuchende, begreift außerdem Randsenken- und Feuchtgebiete als ökologische Rückzugsräume für Pflanzen und Tiere und erkennt die vernetzende Wirkung, die etwa vom Hechtgraben als Relikt der Naturlandschaft und Teil der Kulturlandschaft ausgeht. Nach der Einrichtung eines frühen Naturschutzgebietes am östlichen Ziegenberghang (1930) kam es erst in jüngster Zeit zur Ausweisung des Naturschutzgebietes "Grundlose-Taubenborn" (2006) in der Weseraue. Abschließend sei nochmals betont, dass der vorliegende Beitrag Grundlage für weiterführende umweltgeschichtliche Untersuchungen bieten will. Grundlegendere Erkenntnisse bedürfen einer angemessenen Ausweitung des Untersuchungsraums, etwa auf die gesamte Feldmark Höxters oder den ganzen Auenbereich der Oberweser, sowie des regionalen Vergleichs. Fragen, ob Flutrinnen und Senken auf natürliche Weise verlanden oder durch den Eingriff des Menschen, in welcher Form eine urgeschichtliche oder mittelalterliche Besiedlung Einfluss ausübte, können allein mit Hilfe der historischen Schriftquellen nicht beantwortet werden. Hierzu werden weitere Fächer übergreifende Untersuchungen benötigt, wie sie zum Teil im Stummrigefeld sowie in Höxter und Corvey bereits durchgeführt wurden.
In der vorliegenden Zusammenschau sollen ausgewählte archäologische und historische Quellen sowie die im Gelände erkennbaren Überreste der Kulturlandschaft vorgestellt werden. Die Darstellung endet in der Zeit vor dem Zweiten Weltkrieg, d. h. in einer Zeit, in der die Erinnerung der ältesten heute lebenden Mitbewohner einsetzt.1 Bis hierhin reichen die Erinnerungen der ältesten heute noch lebenden Menschen zurück. Berücksichtigung finden unterschiedliche Aspekte des Siedlungswesens und Befestigungsbaus, der land- und forstwirtschaftlichen Nutzung sowie der bürgerlichen Fest- und Freizeitkultur. Manche Objekte und Flächen, wie z. B. der Südosthang des Ziegenberges, zahlreiche Grabhügel oder die Brunsburg, wurden bereits unter den Schutz des Natur- oder Denkmalschutzgesetzes des Landes Nordrhein- Westfalen gestellt. In anderen Fällen, wie z. B. besonders deutlich ausgeprägten, ehemals landwirtschaftlich genutzten Terrassen, erscheint eine solche Unterschutzstellung jedoch exemplarisch ebenfalls empfehlenswert. Zu einer vollständigen Erfassung und Dokumentation der kulturlandschaftlichen Relikte im Stadtgebiet von Höxter bedarf es noch weiterer Erkundungen im Gelände. Hierfür ist die Hilfe von freiwilligen Mitstreitern erforderlich.2 Wünschenswert wäre für die gesamte Region eine Laserscan-Prospektion aus dem Flugzeug oder Hubschrauber heraus, wie sie im Frühjahr 2009 großflächig im benachbarten Südniedersachsen durchgeführt wurde.3 Durch das feinmaschige Abtasten der Geländeoberfläche gelingt es, vom Menschen bewirkte Veränderungen, wie etwa Wege- und Ackerrelikte, verlassene Siedlungsplätze und technische Anlagen in einem weiträumigen Zusammenhang ermitteln und darstellen zu können.