The dissociation between magnetic resonance imaging (MRI) and permanent disability in multiple sclerosis (MS), termed the clinicoradiological paradox, can primarily be attributed to the lack of specificity of conventional, relaxivity-based MRI measurements in detecting axonal damage, the primary pathological correlate of long-term impairment in MS. Diffusion tensor imaging (DTI) has shown promise in specifically detecting axonal damage and demyelination in MS and its animal model, experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). To quantify the specificity of DTI in detecting axonal injury, in vivo DTI maps from the spinal cords of mice with EAE and quantitative histological maps were both registered to a common space. A pixelwise correlation analysis between DTI parameters, histological metrics, and EAE scores revealed a significant correlation between the water diffusion parallel to the white matter fibers, or axial diffusivity, and EAE score. Furthermore, axial diffusivity was the primary correlate of quantitative staining for neurofilaments (SMI31), markers of axonal integrity. Both axial diffusivity and neurofilament staining were decreased throughout the entire white matter, not solely within the demyelinated lesions seen in EAE. In contrast, although anisotropy was significantly correlated with EAE score, it was not correlated with axonal damage. The results demonstrate a strong, quantitative relationship between axial diffusivity and axonal damage and show that anisotropy is not specific for axonal damage after inflammatory demyelination.

Abstract Previously, we tested the prediction that axonal damage results in decreased axial diffusivity (λ ∥ ) while demyelination leads to increased radial diffusivity (λ ⟂ ). Cuprizone treatment of C57BL/6 mice was a highly reproducible model of CNS white matter demyelination and remyelination affecting the corpus callosum (CC). In the present study, six C57BL/6 male mice were fed 0.2% cuprizone for 12 weeks followed by 12 weeks of recovery on normal chow. The control mice were fed normal chow and imaged in parallel. Biweekly in vivo DTI examinations showed transient decrease of λ ∥ in CC at 2–6 weeks of cuprizone treatment. Immunostaining for nonphosphorylated neurofilaments demonstrated corresponding axonal damage at 4 weeks of treatment. Significant demyelination was evident from loss of Luxol fast blue staining at 6–12 weeks of cuprizone ingestion and was paralleled by increased λ ⟂ values, followed by partial normalization during the remyelination phase. The sensitivity of λ ⟂ to detect demyelination may be modulated in the presence of axonal damage during the early stage of demyelination at 4 weeks of cuprizone treatment. Our results suggest that λ ∥ and λ ⟂ may be useful in vivo surrogate markers of axonal and myelin damage in mouse CNS white matter. Magn Reson Med, 2006. Published 2006 Wiley‐Liss, Inc.

Abstract Diffusion tensor imaging (DTI) has been widely applied to investigate injuries in the central nervous system (CNS) white matter (WM). However, the underlying pathological correlates of diffusion changes have not been adequately determined. In this study the coregistration of histological sections to MR images and a pixel‐based receiver operating characteristic (ROC) analysis were used to compare the axial (λ ∥ ) and radial (λ ⟂ ) diffusivities derived from DTI and histological markers of axon (phosphorylated neurofilament, SMI‐31) and myelin (Luxol fast blue (LFB)) integrity, respectively, in two different patterns of injury to mouse spinal cord (SC) WM. In contusion SC injury (SCI), a decrease in λ ∥ matched the pattern of axonal damage with high accuracy, but λ ⟂ did not match the pattern of demyelination detected by LFB. In a mouse model of multiple sclerosis (MS), λ ⟂ and λ ∥ did not match the patterns of demyelination or axonal damage, respectively. However, a region of interest (ROI) analysis suggested that λ ⟂ ‐detected demyelination paralleled that observed with LFB, and λ ∥ decreased in both regions of axonal damage and normal‐appearing WM (NAWM) as visualized by SMI‐31. The results suggest that directional diffusivities may reveal abnormalities that are not obvious with SMI‐31 and LFB staining, depending on the type of injury. Magn Reson Med 57:688–695, 2007. © 2007 Wiley‐Liss, Inc.

Correlation of diffusion tensor imaging (DTI) with histochemical staining for demyelination and axonal damage in multiple sclerosis (MS) ex vivo human cervical spinal cords. In MS, demyelination, axonal degeneration, and inflammation contribute to disease pathogenesis to variable degrees. Based upon in vivo animal studies with acute injury and histopathologic correlation, we hypothesized that DTI can differentiate between axonal and myelin pathologies within humans. DTI was performed at 4.7 T on 9 MS and 5 normal control fixed cervical spinal cord blocks following autopsy. Sections were then stained for Luxol fast blue (LFB), Bielschowsky silver, and hematoxylin and eosin (H&E). Regions of interest (ROIs) were graded semi-quantitatively as normal myelination, mild (< 50%) demyelination, or moderate–severe (> 50%) demyelination. Corresponding axonal counts were manually determined on Bielschowsky silver. ROIs were mapped to co-registered DTI parameter slices. DTI parameters evaluated included standard quantitative assessments of apparent diffusion coefficient (ADC), relative anisotropy (RA), axial diffusivity and radial diffusivity. Statistical correlations were made between histochemical gradings and DTI parameters using linear mixed models. Within ROIs in MS subjects, increased radial diffusivity distinguished worsening severities of demyelination. Relative anisotropy was decreased in the setting of moderate–severe demyelination compared to normal areas and areas of mild demyelination. Radial diffusivity, ADC, and RA became increasingly altered within quartiles of worsening axonal counts. Axial diffusivity did not correlate with axonal density (p = 0.091). Increased radial diffusivity can serve as a surrogate for demyelination. However, radial diffusivity was also altered with axon injury, suggesting that this measure is not pathologically specific within chronic human MS tissue. We propose that radial diffusivity can serve as a marker of overall tissue integrity within chronic MS lesions. This study provides pathologic foundation for on-going in vivo DTI studies in MS.

Multiple sclerosis is characterized by inflammatory demyelination and irreversible axonal injury leading to permanent neurological disabilities. Diffusion tensor imaging demonstrates an improved capability over standard magnetic resonance imaging to differentiate axon from myelin pathologies. However, the increased cellularity and vasogenic oedema associated with inflammation cannot be detected or separated from axon/myelin injury by diffusion tensor imaging, limiting its clinical applications. A novel diffusion basis spectrum imaging, capable of characterizing water diffusion properties associated with axon/myelin injury and inflammation, was developed to quantitatively reveal white matter pathologies in central nervous system disorders. Tissue phantoms made of normal fixed mouse trigeminal nerves juxtaposed with and without gel were employed to demonstrate the feasibility of diffusion basis spectrum imaging to quantify baseline cellularity in the absence and presence of vasogenic oedema. Following the phantom studies, in vivo diffusion basis spectrum imaging and diffusion tensor imaging with immunohistochemistry validation were performed on the corpus callosum of cuprizone treated mice. Results demonstrate that in vivo diffusion basis spectrum imaging can effectively separate the confounding effects of increased cellularity and/or grey matter contamination, allowing successful detection of immunohistochemistry confirmed axonal injury and/or demyelination in middle and rostral corpus callosum that were missed by diffusion tensor imaging. In addition, diffusion basis spectrum imaging-derived cellularity strongly correlated with numbers of cell nuclei determined using immunohistochemistry. Our findings suggest that diffusion basis spectrum imaging has great potential to provide non-invasive biomarkers for neuroinflammation, axonal injury and demyelination coexisting in multiple sclerosis.

SUMMARY Pancreatic Ductal Adenocarcinoma (PDAC) is a lethal disease with limited treatment options and poor survival. We studied 73 samples from 21 patients (7 treatment-naïve and 14 treated with neoadjuvant regimens), analyzing distinct spatial units and performing bulk proteogenomics, single cell sequencing, and cellular imaging. Spatial drivers, including mutant KRAS , SMAD4 , and GNAQ, were associated with differential phosphosignaling and metabolic responses compared to wild type. Single cell subtyping discovered 12 of 21 tumors with mixed basal and classical features. Trefoil factor family members were upregulated in classical populations, while the basal populations showed enhanced expression of mesenchymal genes, including VIM and IGTB1 . Acinar-ductal metaplasia (ADM) populations, present in 95% of patients, with 46% reduction of driver mutation fractions compared to tumor populations, exhibited suppressive and oncogenic features linked to morphologic states. We identified coordinated expression of TIGIT in exhausted and regulatory T cells and Nectin receptor expression in tumor cells. Higher expression of angiogenic and stress response genes in dendritic cells compared to tumor cells suggests they have a pro-tumorigenic role in remodeling the microenvironment. Treated samples contain a three-fold enrichment of inflammatory CAFs when compared to untreated samples, while other CAF subtypes remain similar. A subset of tumor and/or ADM-specific biomarkers showed differential expression between treatment groups, and several known drug targets displayed potential cross-cell type reactivities. This resolution that spatially defined single cell omics provides reveals the diversity of tumor and microenvironment populations in PDAC. Such understanding may lead to more optimal treatment regimens for patients with this devastating disease. HIGHLIGHTS Acinar-ductal metaplasia (ADM) cells represent a genetic and morphologic transition state between acinar and tumor cells. Inflammatory cancer associated fibroblasts (iCAFs) are a major component of the PDAC TME and are significantly higher in treated samples Receptor-ligand analysis reveals tumor cell-TME interactions through NECTIN4-TIGIT Tumor and ADM cell proteogenomics differ between treated and untreated samples, with unique and shared potential drug targets

Abstract Purpose Glioblastoma (GBM) is one of the deadliest cancers with no cure. While conventional MRI has been widely adopted for examining GBM clinically, accurate neuroimaging assessment of tumor histopathology for improved diagnosis, surgical planning, and treatment evaluation, remains an unmet need in the clinical management of GBMs. Experimental Design We employ a novel Diffusion Histology Imaging (DHI) approach, combining diffusion basis spectrum imaging (DBSI) and machine learning, to detect, differentiate, and quantify areas of high cellularity, tumor necrosis, and tumor infiltration in GBM. Results Gd-enhanced T1W or hyper-intense FLAIR failed to reflect the morphological complexity underlying tumor in GBM patients. Contrary to the conventional wisdom that apparent diffusion coefficient (ADC) negatively correlates with increased tumor cellularity, we demonstrate disagreement between ADC and histologically confirmed tumor cellularity in glioblastoma specimens, whereas DBSI-derived restricted isotropic diffusion fraction positively correlated with tumor cellularity in the same specimens. By incorporating DBSI metrics as classifiers for a supervised machine learning algorithm, we accurately predicted high tumor cellularity, tumor necrosis, and tumor infiltration with 87.5%, 89.0% and 93.4% accuracy, respectively. Conclusion Our results suggest that DHI could serve as a favorable alternative to current neuroimaging techniques for guiding biopsy or surgery as well as monitoring therapeutic response in the treatment of glioblastoma. Translational Relevance Current clinical diagnosis, surgical planning, and assessment of treatment response for GBM patients relies heavily on gadolinium-enhanced T1-weighted MRI, which is non-specific for tumor growth and merely reflects a disrupted blood-brain barrier. The complex tumor microenvironment and spatial heterogeneity make GBM difficult to characterize using current clinical imaging modalities. In this study, we developed a novel imaging technique to characterize and accurately predict key histological features of GBM - high tumor cellularity, tumor necrosis, and tumor infiltration. While further validation in a larger cohort of patients is needed, the current proof-of-concept approach could provide a solution to resolve important clinical questions such as the identification of true tumor progression vs. pseudoprogression or radiation necrosis.

Abstract Neurodegeneration and chronic progressive neuroinflammation are well-documented in neurological lysosomal storage diseases, including Sanfilippo disease or mucopolysaccharidosis III (MPS III). Since chronic neuroinflammation has been linked to white matter tract pathology and defects in axonal transmission, we analysed axonal myelination and white matter density in the mouse model of MPS IIIC and human post-mortem brain samples from MPS IIIA, C, and D patients. Analyses of corpus callosum (CC) and spinal cord tissues by immunohistochemistry revealed substantially reduced levels of myelin-associated proteins including Myelin Basic Protein, Myelin Associated Glycoprotein, and Myelin Oligodendrocyte Glycoprotein. Furthermore, ultrastructural analyses revealed disruption of myelin sheath organization and reduced myelin thickness in the brains of MPS IIIC mice and human MPS IIIC patients compared to healthy controls. Oligodendrocytes (OLs) in the CC of MPS IIIC mice were scarce, while examination of the remaining cells revealed numerous enlarged lysosomes containing heparan sulfate, GM3 ganglioside or “zebra bodies” consistent with accumulation of lipids and myelin fragments. In addition, OLs contained swollen mitochondria with largely dissolved cristae, resembling those previously identified in the dysfunctional neurons of MPS IIIC mice. When brains of 7-month-old MPS IIIC mice were analysed by ex-vivo Diffusion Basis Spectrum Imaging to assess microarchitectural changes in the corpus callosum, we found compelling signs of demyelination (26% increase in radial diffusivity) and tissue loss (76% increase in hindered diffusivity). Our findings demonstrate an import role for white matter injury in the pathophysiology of MPS III. Moreover, this study reveals specific parameters and brain regions for MRI analysis, a crucial non-invasive method to evaluate disease progression and therapeutic response in neurological lysosomal storage diseases.

This study investigated the biomechanical properties of human trabecular meshwork (TM) tissue under conditions mimicking physiological and pathological states, examining the interplay between mechanical stress, glucocorticoid treatment, and extracellular matrix remodeling in glaucoma pathophysiology. Fresh human TM tissue samples (n = 112) from 28 donor eyes were subjected to various experimental conditions: physiological pressure (15 mmHg), elevated pressure (30 mmHg), dexamethasone treatment (100 nM), and combined pressure-dexamethasone exposure. Tissue biomechanical properties were assessed using atomic force microscopy, optical coherence elastography, and rheological measurements. Molecular analyses included gene expression profiling, protein quantification, and inflammatory marker assessment. Regional variations, age-related differences, and temporal responses were evaluated. Combined pressure-dexamethasone treatment demonstrated synergistic effects, increasing Young’s modulus by 133.8% (from 4.82 ± 0.56 to 11.27 ± 1.24 kPa, p < 0.001) and storage modulus by 106.6% (from 285.3 ± 32.4 to 589.4 ± 52.7 Pa, p < 0.001). These mechanical changes strongly correlated with ECM remodeling, evidenced by increased COL1A1 expression (r = 0.842, p < 0.001) and decreased MMP2 activity (r = −0.756, p < 0.001). Age-stratified analysis revealed enhanced treatment sensitivity in older subjects (≥ 65 years), with a 138.5% versus 122.6% increase in tissue stiffness compared to younger subjects. Time-course studies demonstrated that molecular changes preceded mechanical alterations, with significant gene expression changes observed within 24 hours. This comprehensive analysis reveals significant interactions between mechanical stress and glucocorticoid exposure in TM tissue, with age-dependent effects on tissue biomechanics and ECM remodeling. The temporal sequence of molecular and mechanical changes suggests potential therapeutic windows for intervention in glaucoma progression. These findings provide new insights into the mechanobiology of TM tissue and identify potential therapeutic targets for glaucoma treatment.