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Modelling of the bile canalicular network during liver regeneration and fibrosis after carbon tetrachloride intoxication

Modellierung des Netzwerks der Gallencanaliculi während Leberregeneration und Fibrose nach Tetrachlorkohlenstoff Intoxikation

Hammad, Seddik


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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-88751
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2012/8875/

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Leberintoxikation , Gallecanaliculi , Regeneration , Polarität
Freie Schlagwörter (Englisch): liver intoxication , bile canaliculi , regeneration , polarity
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Pharmakologie und Toxikologie; Leibniz-Institut für Arbeitsforschung, TU Dortmund
Fachgebiet: Veterinärmedizin
DDC-Sachgruppe: Landwirtschaft
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 15.06.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 05.07.2012
Kurzfassung auf Deutsch: The liver contains two networks: 1) the microvessels network also named liver sinusoids and 2) the bile canalicular network. The disruption of the bile canalicular network leads to improper bile flow, cholestasis and toxicity of the liver cells. Relatively little is known about the organization of the bile canalicular network in healthy livers and it is not completely described after liver intoxication, regeneration and fibrosis processes. Therefore, the goals of the present study are to: i) establish a mouse model of acute hepatoxicity by carbon tetrachloride injection; ii) determine the maintenance and establishment of hepatocellular polarity during the intoxication and regeneration processes; and iii) reconstruct the bile canalicular network of the normal, intoxicated and regenerated as well as fibrotic mouse livers. In the present study, I used carbon tetrachloride as a well accepted model for liver cell destruction, intoxication and fibrosis induction. The obtained results describing the liver intoxication and regeneration process were in agreement with published data. Therefore, the liver tissue after acute and chronic administration of carbon tetrachloride could be used to analyze the bile canalicular network under conditions of acute liver damage and fibrosis. The steps of the normal hepatic micro-architecture restoration after liver intoxication could be summarized as follows: i) the proliferating hepatocytes maintained their polarity; ii) the daughter hepatocytes are aligned in the direction of the closest microvessels; and iii) the existing bile canaliculus is invaginated between the daughter hepatocytes to establish a novel branch. Currently, there is no technique available to quantify the bile canalicular network. Therefore, to understand the architecture of the bile canalicular network and to bridge this gap, a method for analyzing three dimensional organization of the bile canaliculi and hepatic sinusoids was established using confocal microscopy and image analysis. Based on the reconstructed data sets of the healthy mice, I could detect some basic structures of the bile canalicular network including: 1) the bile canaliculi form three half-hexagonal belts around the hepatocytes. Two halves are connected to form a belt and third half sometimes is connected to the belt or formed an unconnected branch; 2) two classes of bile canaliculi could be differentiated. Whereby canaliculi of first class are oriented in parallel to the closest sinusoid and the second class of bile canaliculi are perpendicular to the sinusoid; 3) three hepatocytes surrounding one sinusoid form a frequently observed basic building block; 4) hepatic sinusoids are surrounded by a hexagonal belt of bile canaliculi; 5) unconnected branches of the bile canalicular network ‘dead ends’ were observed; and 6) bile canaliculi are located mainly at the center of the lateral surface or very rarely at the edges of the hepatocyte surface. The disruption of the bile canalicular network was recorded in injured livers. This disruption includes disappearance of the network in damaged areas (necrotic and fibrotic) and an increase in the number of the unconnected branches in the surviving tissue. A ‘fish bone’ appearance was also frequently recorded in the tissue with the surviving hepatocytes. The current study demonstrates that the architecture of the bile canalicular network clearly differs from the way it is presented in textbooks. It represents a low order network but some basic features and building principles are maintained all over the tissue. Liver damage induces a tightly controlled sequence of events by which the bile canalicular network is reconstructed.
Kurzfassung auf Englisch: Die Leber besteht aus zwei unabhängigen Netzwerken: 1) dem Mikrogefäßnetzwerk, Sinusiodalnetzwerk genannt und 2) einem Netzwerk von Gallengängchen. Beeinträchtigungen am Gallengangnetzwerk führen zu Cholestase und zur Schädigung von Leberzellen. Über die Organisation des Gallengangnetzwerks in der Leber ist bisher wenig bekannt und ist nur zu Teilen für Vergiftung, Regeneration und Fibrose beschrieben. Das Ziel dieser Arbeit ist es i) ein Modell der akuten Tetrachlorkohlenstoffvergiftung zu erstellen, ii) die Erhaltung bzw. den Neuaufbau der Leberzellenpolarität während der Lebervergiftung und der Regeneration zu untersuchen und iii) eine Rekonstruktion des Gallengangnetzwerks der gesunden, vergifteten und regenerierenden Mausleber zu erstellen. In dieser Arbeit verwendete ich Tetrachlorkohlenstoff als Lebertoxin. Dieses Modell ist gut verstanden und akzeptiert zur Untersuchung von Leberzelltod, Vergiftung und Leberfibrose. Die erhaltenen Daten bestätigen die bereits publizierten Ergebnisse, so dass die gewonnenen Gewebeproben von akuter und langzeitbehandelter Leber zur Analyse des Gallengangnetzwerks in geschädigter und fibrotischer Leber gebraucht werden konnten. Die Schritte der Wiederherstellung der normalen Lebermikroarchitektur können wie folgt zusammengefasst werden: i) die proliferierenden Zellen behalten die Zellpolarität bei, ii) Tochterzellen richten sich an den anliegenden Sinusoidzellen aus und iii) aus bereits bestehenden Gallengängen werden neue zwischen die Tochterhepatozyten getrieben, um weitere Zweige auszubilden. Bis heute gibt es noch keine Möglichkeit zur Quantifizierung des Gallengangnetzwerk. Zum besseren Verständnis des Netzwerks wurde eine Methode zur Analyse der dreidimensionalen Organisation des Gallengang- und des sinusoidalen Netzwerks mit Hilfe von konfokaler Mikroskopie und Bildverarbeitung entwickelt. Basierend auf den gemessenen Datensätzen von gesunden Mäusen konnte ich einige grundlegende Strukturen des Netzwerks finden: 1) die Gallengängchen bilden drei halbhexagonale Gürtel um die Hepatozyte. Zwei Halbe sind miteinander verbunden und bilden einen Gürtel und der dritte Halbe kann ebenfalls verbunden sein oder aber auch ein Sackgassenende ausbilden; 2) es können zwei Klassen von Gallengängen unterschieden werden. Wobei Gallengänge der ersten Klasse sich parallel am angrenzenden Sinusoid ausrichten, im Gegensatz dazu aber die Gallengänge der zweiten Klasse sich senkrecht dazu erstrecken; 3) drei Hepatozyten, die einen Sinusoid umgeben bildet eine oft vorgefunden Grundstruktur; 4) Sinusoide sind von einem hexagonalen Gürtel aus Gallengängchen umgeben; 5) es existieren freie Enden im Gallengangnetzwerk - ‚dead ends’; und 6) Gallengängchen befinden sich hauptsächlich in der Mitte der flachen Seite der Hepatozyte, nur sehr selten sind sie entlang der Kante der Hepatozyte zu finden. Die Zerstörung des Gallengangnetzwerks wurde in Tetrachlorkohlenstoff geschädigter Leber untersucht. Diese Zerstörung zeigt sowohl ein Verschwinden des Netzwerks in den geschädigten Arealen (nekrotisch und fibrotisch), als auch eine vermehrte Anzahl an freien Enden der Gängchen in den gesunden Arealen. Das Gallengangnetzwerk im angrenzenden gesundeten Gewebe zeichnete sich häufig durch ein fischgrätenartiges Muster aus. Diese Studie zeigt, dass die Architektur der Gallengänge sich von den gängigen Beschreibungen in Lehrbüchern unterscheidet. Es handelt sich um ein Netzwerk von geringer Ordnung, aber mit einigen grundlegenden Mustern und Aufbauprinzipien des Gewebes. Leberschädigung löst einen streng regulierten Regenerationsmechanismus aus, der zur Wiederherstellung des Gallengangsystems führt.
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