Исследователи разрабатывают новую технику трехмерной визуализации тканей для изучения заболеваний на клеточном уровне

10.09.2019

Для диагностики и лечения таких заболеваний, как рак, ученые и врачи должны понимать, как клетки реагируют на различные заболевания и методы лечения.
Исследователи разработали новый способ изучения заболеваний на клеточном уровне.

Доктор Кит Ченг, знаменитый профессор в области патологии, фармакологии и биохимии и молекулярной биологии из Государственного медицинского колледжа штата Пенсильвания, а также команда физиков из Чикагского университета, специализирующихся на исследовании методов рентгеновской визуализации, разработали новый метод трехмерной визуализации тканей под названием рентгеновская гистотомография. Методика позволяет исследователям детально изучать клетки в образце ткани без необходимости подготовки срезов, что может привести к повышению качества диагностики и лечения различных заболеваний, включая рак.

Доктор Кит Ченг отметил: «Благодаря гистотомографии ученым стали доступны количественные и объективные измерения, обладающие высоким потенциалом в части дифференциации подтипов рака и других заболеваний, которые выглядят одинаково при использовании традиционной гистологии. В результате чего больному может быть назначено более подходящее лечение».

Традиционная гистология подразумевает взятие у пациентов тонких срезов тканей, их окрашивание и исследование на предмет отклонений под микроскопом. Физическое разделение образца сопровождается потерями и деформацией ткани, которые приводят к неполному отбору проб и снижению качества визуализации. По словам исследователей, рентгеновская гистотомография позволяет избежать этих проблем и позволяет точно измерять трехмерные характеристики клеток, такие как форма и объем. Ченг и его команда разрабатывали этот метод более 10 лет, объединив принципы компьютерной томографии (КТ) и гистологии для трехмерного отображения небольших организмов и тканей с большим разрешением.

Рентгеновская гистотомография построена на тех же принципах, что и компьютерная томография. КТ предусматривает выполнение серии рентгеновских снимков объекта с небольшим изменением угла съемки. Затем компьютерная программа использует набор рентгеновских лучей для создания трехмерного изображения». Доктор Кит Ченг, профессор патологии, фармакологии и биохимии и молекулярной биологии, Пеннский государственный медицинский колледж.
Изначально для визуализации небольших организмов и тканей лаборатория Ченга использовала микро-КТ – мелкомасштабный вариант КТ человека.

Доцент радиологии, Патрик Ля Ривьер, из Чикагского университета предложил Ченгу использовать мощный источник рентгеновского излучения, синхротрон, что позволило исследовательской группе улучшить их микро-КТ-сканирование, получить более высокое разрешение и сократить время визуализации. В перспективе микро-КТ на основе синхротрона может стать помощником патологов в определении индивидуальных особенностей заболевания у пациента, количества больных клеток, а также позволит подбирать индивидуальные варианты лечения на основании полученных результатов исследования.

По словам доктора Ченга не существует коммерчески доступной технологии, которая бы предоставляла исследователям подобные возможности, поэтому он совместно с командой инженеров, физиков, ученых и биологов решили самостоятельно разработать данную методику. После десятилетия оптимизации подготовки образцов и визуализации команда создала трехмерные реконструкции молодых рыбок данио, которые можно исследовать начиная с масштаба всего организма и заканчивая клеточным уровнем. Рыбки данио были выбраны для разработки этой технологии поскольку их размер от личинок до взрослых особей практически совпадает с размерами образцов, используемых врачами для оценки раковых опухолей. По словам Ченга, новая технология позволит исследователям и клиницистам определять такие особенности, как трехмерная форма, объем, местоположение и количество клеток, которые ранее не могли быть изучены с использованием традиционной гистологии. Методика позволит патологам изучать целый образец ткани после его окраски и подготовки. Больше нет необходимости в разделении образца на отдельные срезы.

Благодаря повышенной четкости и разрешающей способности изображений специалисты по клиническим исследованиям могут оценить микроскопические особенности клеток в трехмерном пространстве. «Красота и сложность ткани, которую я видел, была ошеломляющей», – сказал Ченг об изображениях, которые были опубликованы совместно с результатами исследования в журнале eLife 11 июня.

Вычислительные инструменты в сочетании с визуализацией позволяют рассчитывать и каталогизировать размер, форму, объем и плотность клеток. Такие возможности позволяют изучать характеристики патологии заболевания новым способом, который может повысить качество клинической помощи и облегчить поиск лекарств.

Достижения в области компьютерных технологий позволяют обрабатывать и просматривать файлы изображений рыбок данио большого размера, каждый файл может достигать 100 гигабайт. Исследователи могут исследовать признаки заболевания на уровне системы органов, тканей или клеток одновременно, по частям или в трехмерном контексте. Они могут видеть и взаимодействовать с клеточной структурой организмов, используя технологию, которая применяется при построении виртуальной реальности для геймеров.

Будущие исследования группы Ченга будут направлены на повышение разрешения, размера выборки, пропускной способности, аналитической мощности и доступности метода.

Вернуться обратно
ОПУБЛИКОВАТЬ В СОЦ.СЕТЯХ