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Arbeitsgruppe Prof. Klopfleisch

Mitarbeiter

Forschungsschwerpunkte:

Digitale Pathologie

Pathologen nutzen Lichtmikroskope zur Diagnose von Erkrankungen in Gewebeschnitten seit der Entwicklung der modernen Pathologie durch Rudolf Virchow im Jahre 1858. Die rasante Entwicklung der digitalen Informationstechnologie während der letzten drei Dekaden hat nun jedoch auch die klassische Pathologie erreicht, wie alle anderen Aspekte des modernen Lebens.

 Die relative junge Technologie der Slide Scanner ermöglicht es, histologische Schnitte auf Glasobjektträgern zu digitalisieren, auf einem Computerbildschirm zu visualisieren, automatisch zu analysieren und sie über Netzwerke über große Strecken schnell auszutauschen. Momentan werden vor allem voll digitalisierte Scans von Glasobjektträger, sogenannte Whole Slide Images (WSI), zunehmend in der Routinediagnostik von Pathologieinstitutionen verwendet und es ist anzunehmen, dass sie eine integrale Komponente der Veterinärpathologie der Zukunft sein wird. Weiterhin wird insbesondere für die automatisierte Quantifizierung von Objekten in Gewebeschnitten, z.B. mitotische Zellen, Immunhistochemie-positive Zellen, etc., automatische Bilderkennungsalgorithmen verwendet.

 Unsere Gruppe befasst sich derzeit mit verschiedensten Projekten zur Evaluierung und Validierung der Methoden der digitalen Pathologie im Bereich Diagnostik, Forschung und Ausbildung und zielt auch darauf ab, neue Softwareansätze zur automatischen Bildanalyse von histologischen und zytologischen Präparaten zu entwickeln. Ein Fokus ist hierbei die Tumordiagnostik und die Toxikologische Pathologie und hier im speziellen die automatische Erkennung von Mitosefiguren in Tumorgeweben zur Gradeinschätzung von Tumoren, die Entwicklung einer automatischen Tumorerkennung und -differenzierung und die automatisierte Präselektion von pathologisch veränderten Gewebearealen in Gewebeproben aus Toxizitätsprüfungen an HE-Schnitten.

ResearchGate-Projekt: https://www.researchgate.net/project/Digital-Pathology-New-Approaches-to-the-Automated-Image-Analysis-of-Histologic-Slides

Publikationen:

  1. Bertram CA, Aubreville M, Gurtner C, Kershaw O, Meier A, …., Kiupel M, Maier A, Klopfleisch R. Computerized Calculation of Mitotic Count Distribution in Canine Cutaneous Mast Cell Tumor Sections: Mitotic Count is Area-Dependent. Vet Pathol, 2020, doi:10.1177/0300985819890686, PMID: 31808382 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31808382)

  2.  Bertram CA, Aubreville M, Marzahl C, Maier A, Klopfleisch R. A large-scale dataset for mitotic figure assessment on whole slide images of canine cutaneous mast cell tumor. Sci Data. 2019 Nov 21;6(1):274. doi: 10.1038/s41597-019-0290-4. PMID: 31754105 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31808382).

  3. Bertram CA, Gurtner C, Dettwiler M, Kershaw O, Dietert K, Pieper L, Pischon H, Gruber AD, Klopfleisch R. Validation of Digital Microscopy Compared With Light Microscopy for the Diagnosis of Canine Cutaneous Tumors. Vet Pathol. 2018, 55(4):490-500. doi: 10.1177/0300985818755254. PMID: 29402206 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29402206).

  4. Bertram CA, Klopfleisch R. The Pathologist 2.0: An Update on Digital Pathology in Veterinary Medicine. Vet Pathol. 2017 Sep;54(5):756-766. doi:10.1177/0300985817709888. PMID: 28578626 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28578626). 

  5. Bertram CA, Firsching T, Klopfleisch R. Virtual Microscopy in Histopathology Training: Changing Student Attitudes in 3 Successive Academic Years. J Vet Med Educ. 2018; 45(2):241-249. doi: 10.3138/jvme.1216-194r1. PMID: 29099317 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29099317).

  6. Aeffner F, Adissu HA, Boyle MC, Klopfleisch R, Newbigging S, Schaudien D, Turner O, Wilson K. Digital Microscopy, Image Analysis, and Virtual Slide Repository. ILAR J. 2018; 59(1):66-79. doi: 10.1093/ilar/ily007. PMID: 30535284 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30535284).

  7. Aubreville M, Bertram CA, Jabari S, Marzahl C, Klopfleisch R, Andreas Maier. Learning New Tricks from Old Dogs -- Inter-Species, Inter-Tissue Domain Adaptation for Mitotic Figure Assessment. (https://arxiv.org/pdf/1911.10873.pdf)

  8. Aubreville M, Bertram CA, Marzahl C, Gurtner C, Dettwiler M, Schmidt A, Bartenschlager F, Merz S, Fragoso M, Kershaw O, Klopfleisch R, Maier A. Field of Interest Prediction for Computer-Aided Mitotic Count, 2019. (https://arxiv.org/pdf/1902.05414.pdf)

  9. Marzahl C, Aubreville M, Bertram CA,…., Klopfleisch R, Maier A. Deep Learning-Based Quantification of Pulmonary Hemosiderophages in Cytology Slides. (https://arxiv.org/pdf/1908.04767.pdf)

  10. Aubreville M,  Bertram CA, Klopfleisch R, Maier A. SlideRunner - A Tool for Massive Cell Annotations in Whole Slide Images. (https://arxiv.org/pdf/1802.02347v1.pdf)

  11. Aubreville M,  Bertram CA, Klopfleisch R, Maier A. Augmented Mitotic Cell Count using Field Of Interest Proposal. https://arxiv.org/pdf/1810.00850.pdf

  12. Aubreville M,  Bertram CA, Klopfleisch R, Maier A. Field Of Interest Proposal for Augmented Mitotic Cell Count: Comparison of two Convolutional Networks. (https://arxiv.org/pdf/1810.09197.pdf)

  13. Aubreville M, Krappmann M, Bertram CA, Klopfleisch R, Maier A. A Guided Spatial Transformer Network for Histology Cell Differentiation. Eurographics Workshop on Visual Computing for Biology and Medicine At: Bremen, Germany, 2017, DOI: 10.2312/vcbm.20171233

  14. Krappmann, M.; Aubreville, M.; Maier, A.; Bertram, C.; Klopfleisch, R. Classification of Mitotic Cells Potentials: beyond the Limits of Small Data Sets. In: Bildverarbeitung für die Medizin 2018,– Andreas Maier (Hrsg.) (1 Aufl.), Vieweg: Springer, S. 245–250, ISBN: 978-3-662-56536-0

Methoden in toxikologischen präklinischen und Drug Safety-Studien

In Kooperation mit internationalen forschenden pharmazeutischen Unternehmen und Contract Research Organizations entwickleln wir momentan innovative, effizientere Methoden für präklinische Studien im Bereich Drug safety und Efficacy. Ein Hauptfokus ist hierbei die Entwicklung von sensitiveren und reproduzierbareren Methoden der histopathologischen Analyse mittels digitaler Pathologie und Surrogatmarkern, um so eine eine Reduzierung von Versuchstierzahlen gemäß des 3R-Prinzips zu erreichen. 

Weiterhin werden neue Ansätze zur effizienten Durchführung des Mikronukleus-Tests (Giemsa, Acridine-Orange) und des Knochenmarksanalyse (Myeloid-Erythroid-Verhältnis) in Ratten und Mäusen entwickelt. QuPath, Sliderunner, und in bestimmten Projekten Visiopharm, werden dabei zur Annotation von digitalen histologischen Präparaten genutzt und sowohl in diesen Softwarlösungen als auch mit verschiedenen IT-Kooperationspartnern zur Entwicklung von Deep Learning-Algorithmen für die automatische Bildanalyse genutzt. 

Veterinäronkologie

  • Metastasierungs-assoziierte globale mRNA und Proteinexpressionsmuster bei kaninen Mamma- und Mastzelltumoren

  • Zirkulierende Tumorzellen als prognostische Faktoren bei kaninen Mammatumoren

  • c-Kit abhängige Genexpressionsmuster in kaninen Mastzelltumoren

Die molekularen Mechanismen der Karzinogenese von Tumoren in nicht-humanen Säugetieren sind noch weitestgehend unbekannt. In verschiedenen Projekten werden vor allem Tumoren des Hundes und der Katze untersucht, um Genmutation und Genexpressionsveränderungen in Tumorzellen mit Relevanz für die Entwicklung, Diagnose, Prognose und Therapie dieser Tumorarten zu identifizieren.

Publikationen:

  1. Klopfleisch R (ed.), A Short Textbook of Veterinary Oncology / Kurzlehrbuch der Veterinäronkologie, Springer, available from 08/2016

  2. Bertram CA, Aubreville M, Gurtner C, Kershaw O, Meier A, Kiupel M, Maier A, Klopfleisch R. Computerized Calculation of Mitotic Count Distribution in Canine Cutaneous Mast Cell Tumor Sections: Mitotic Count is Area-Dependent. Vet Pathol, 2020

  3.  Aupperle-Lellbach H, Törner K, Staudacher M, Müller E, Steiger K, Klopfleisch R. Characterization of 22 Canine Pancreatic Carcinomas and Review of Literature. J Comp Pathol. 2019 ;173:71-82.

  4. Merz SE, Kershaw O, Petrick A, Gruber AD, Klopfleisch R, Breithaupt A. Tumour, but not Age-associated, Increase of Senescence Markers γH2AX and p21 in the Canine Eye. J Comp Pathol. 2019;173:41-48.

  5. Grassinger JM, Aupperle-Lellbach H, Erhard H, Merz S, Klopfleisch R. Detection of BRAF mutation in canine prostatic diseases. Tierarztl Prax Ausg K Kleintiere Heimtiere. 2019; 47(5):313-320.

  6. Grassinger JM, Merz S, Aupperle-Lellbach H, Erhard H, Klopfleisch R. Correlation of BRAF Variant V595E, Breed, Histological Grade and Cyclooxygenase-2 Expression in Canine Transitional Cell Carcinomas. Vet Sci. 2019, 19;6(1).

  7. Klopfleisch R, Kohn B, Gruber AD. Mechanisms of tumour resistance against chemotherapeutic agents in veterinary oncology. Veterinary Journal, 207:63-72, 2016.

  8. Klopfleisch R. Personalized medicine in veterinary oncology: one to cure just one. Veterinary Journal, 205:128-35, 2015. 

  9. Klopfleisch R, von Euler H, Sarli G, Pinho SS, Gärtner F, Gruber AD. Molecular carcinogenesis of canine mammary tumors: news from an old disease. Veterinary Pathology,48:98-116, 2011.

  10. Delcour N.M., Klopfleisch R., Gruber A.D. and Weiss A.T.A. (2013). Canine Cutaneous Histiocytomas are Clonal Lesions as Defined by X-linked Clonality Testing. Journal of Comparative Pathology 149: 192-198. 
Kutane Lupus erythematosus und Pemphigus-Erkrankungen bei Hund, Katze, Pferd

Autoimmunerkrankungen sind relativ seltene Erkrankungen beim Haustier. Nichtsdestotrotz stellen Sie vor allem in der Dermatologie aber eine häufig gestellte und somit zu bestätigende/auszuschließende klinische Differentialdiagnose dar. Während z.B. bei systemischen Lupus erythemathosus eine serologische Untersuchung auf zirkulierende anti-nukleäre Antikörper (ANA) häufig hilfreich in der Diagnose ist, sind ausreichend sensitive und spezifische serologische Tests bei kutanem Lupus und Pemphigus bisher für Haustiere nicht erhältlich. Bei diesen Erkrankungen ist deshalb die Histopathologie von Hautbiopsien und der Nachweins von gebundenen Antikörpern in den histologischen Präparaten die Methode der Wahl. In verschiedenen Projekten versuchen wir momentan die Methoden zum Nachweis von Autoantikörpern zu verfeinern und mit dem klinischen Bild bzw. mit dem therapeutischen Erfolg zu korrelieren, um in Zukunft bessere Prognosen und Empfehlungen für die klinsichen Kolleginnen geben zu können. 

  

Foreign body reaction and M1 / M2 Macrophage Polarization in vivo

Die Fremdkörperreaktion bei der Implantation von Biomaterialien ist ein zweischneidiges Schwert. So ist zum einen eine gewisse Reaktion notwendig, um eine Verankerung oder Resorption des Implantates zu gewährleisten. eine zu starke Reaktion führt jedoch zu einer Zerstörung des Implantats bzw. einer starken Narbengewebsbildung.

Die neueren Erkenntnisse zur Biologie der Makrophagen haben gezeigt, dass Makrophagen nicht nur reine Antigen-phagozytierende und -präsentierende und somit pro-inflammatorische Zellen sind. Ganz im Gegenteil, beide Makrophagensubtypten, die “pro-inflammatorischen” M1-Makrophage, die verschiedenen “anti-inflammatorischen” M2-Makcrophagen-Subtypen und sogar die Fremdkörperriesenzellen sind sowohl für die Abwehr gegen Noxen als auch in ihrer Gesamtheit für die Regeneration und Reparation von nahezu allen Geweben notwendig. Je nach Implantationsziel sind deshalb unterschiedlich orchestrierte und zusammengesetzte Makrophagenantworten wünschenswert, um die erzielte Implantatwirkung zu erreichen. 

Die meisten momentan vorliegenden Daten und differenzierenden M1- / M2-Marker wurden in In-vitro-Modelle produziert bzw. entdeckt. In unseren aktuellen Projekten beschäftigen wir uns damit, diese in der eher artifiziellen In vitro-Situation gewonnenen Erkenntnisse in der In-vivo- bzw. Ex-vivo-Situation in der Maus, dem Hund und dem Schwein zu überprüfen.

Publikationen:

  1. Klopfleisch R. Macrophage reaction against biomaterials in the mouse model – phenotypes, functions and markers. Acta Biomaterialia, 1;43:3-13, 2016 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27395828
  2. Klopfleisch R, Jung F. The pathology of the foreign body reaction against biomaterials. Journal of Biomedical Material Research A, 105(3):927-940, 2017 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27813288
  3. Frede A, Neuhaus B, Klopfleisch R, Walker C, Buer J, Müller W, Epple M, Westendorf AM. Colonic gene silencing using siRNA-loaded calcium phosphate/PLGA nanoparticles ameliorates intestinal inflammation in vivo. Journal of Controlled Release, 222:86-96, 2016 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26699423

  4. Haase T, Klopfleisch R, Krost A, Sauter T, Kratz K, Peter J, Jung F, Lendlein A, Zohlnhöfer D, Rüder C. In vivo biocompatibility study of degradable homo- versus multiblock copolymers and their (micro)structure compared to an established biomaterial. Clin Hemorheol Microcirc. 2020 Jan 4. doi: 10.3233/CH-190748

Alterung bei Haustieren

Alterung ist ein physiologischer Prozess, der mit einer Erhöhung der Empfänglichkeit für verschiedenste Erkrankungen, wie z.B. verschieden Zivilisationskrankheiten und insbesondere der Entstehung von Tumoren, einhergeht. So wird zum Beispiel angenommen, dass die Alterung des peritumoralen Bindegewebes in und um Tumore einen wichtigen Einfluss auf die Entstehung und Proliferation von Tumoren hat. Insbesondere die Akkumulation von seneszenten Zellen, die einen permanenten Zellzyklusarrest zeigen, einen wichtigen Einfluss auf die Entwicklung von Tumoren in ihrer Umgebung haben. In verschiedenen Projekten beschäftigen wir uns deshalb aktuell mit der Markern für seneszente Zellen im Hund, das Auftreten und die Assoziation von seneszenten Zellen mit Alterungs-assoziierten Krankheiten, wie z.B. Tumoren.

Publikationen:

  1. Merz SE, Kershaw O, Petrick A, Gruber AD, Klopfleisch R, Breithaupt A. Tumour, but not Age-associated, Increase of Senescence Markers γH2AX and p21 in the Canine Eye. J Comp Pathol. 201;173:41-48. doi: 10.1016/j.jcpa.2019.10.004

  2. Merz SE, Klopfleisch R, Breithaupt A, Gruber AD. Aging and Senescence in Canine Testes. Vet Pathol. 2019;56(5):715-724. doi: 10.1177/0300985819843683

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