Для диагностики и лечения таких заболеваний, как рак, ученые и врачи должны понимать, как клетки реагируют на различные медицинские условия и методы лечения. Исследователи разработали новый способ изучения болезни на клеточном уровне.
Д-р Кит Ченг, выдающийся профессор патологии, фармакологии, биохимии и молекулярной биологии в Медицинском колледже штата Пенсильвания, и команда физиков рентгеновской визуализации из Чикагского университета разработали новый метод 3D-визуализации тканей, называемый рентгеновской гистотомографией (X-ray histotomography). Метод позволяет исследователям изучить детали клеток в образце ткани не разрезая его на части. А это может привести к улучшению диагностики и лечения различных заболеваний, включая рак.
«Количественные и объективные измерения, сделанные с помощью гистотомографии, потенциально могут позволить нам различать подтипы рака и другие заболевания, которые в настоящее время выглядят одинаково при использовании традиционной гистологии, чтобы для их лечения выбирать наиболее эффективную терапию», — сказал Ченг.
Традиционная гистология включает в себя взятие тонких срезов тканей у пациентов, окрашивание их и изучение их под микроскопом на наличие аномальных особенностей. Физическое секционирование образца приводит к потере и искажению ткани, что приводит к неполной выборке и несовершенной визуализации. По словам исследователей, рентгеновская гистотомография позволяет избежать этих проблем и позволяет точно измерять трехмерные особенности клеток, такие как форма и объем.
Более 10 лет, Ченг и его команда занимались разработкой методики путем совмещения принципов Компьютерной Томографии (КТ) у людей и гистологии для того, чтобы визуализировать малые организмы и ткани в большом разрешении и в 3D.
«Рентгеновская гистотомография использует те же принципы, что и компьютерная томография человека», — сказал Ченг. «КТ включает в себя серийную съемку объекта исследования с помощью рентгеновских лучей, при которой каждый снимок делается под немного другим углом. Затем компьютерная программа, используя набор специальных алгоритмов и полученные снимки создает 3D изображения.»
Лаборатория Ченга ранее использовала микро-КТ, мелкомасштабную версию традиционной Компьютерной Томографии, для того чтобы визуализировать небольшие организмы и ткани. Патрик Ла Ривьер (Patrick La Rivière) из Чикагского университета, доцент радиологии, познакомил Ченга с использованием мощного источника рентгеновского излучения — синхротрона, что позволило исследовательской группе улучшить микро-КТ сканирование с повышенным разрешением и более быстрым временем визуализации. Микро-КТ на основе синхротрона может помочь патологам когда-нибудь ответить на такие вопросы, как: Каковы индивидуальные особенности заболевания пациента? Сколько больных клеток? Каковы индивидуальные варианты лечения, основанные на том, что мы видим?
Технология, необходимая для ответа на подобные вопросы, не была доступна в коммерческих целях, сказал Ченг, поэтому он и команда инженеров, физиков, специалистов по обработке данных и биологов приступили к разработке новой техники самостоятельно.
После десятилетия оптимизации, проб, ошибок, подготовки и визуализации, команда создала 3D реконструкции молодых рыбок Данио-рерио (Зебрафиш), которые могут быть исследованы от уровня всего организма до отдельных клеток. Данио-рерио были выбраны для разработки этой технологии, потому что их размер от личинок до взрослых почти такой же, как образцы, используемые врачами для оценки раковых опухолей.
По словам Ченга, исследователи и клиницисты теперь могут изучать такие функции, как 3D-форма, объем, расположение и количество клеток, которые ранее не могли быть изучены с помощью традиционной гистологии. Методика позволит патологоанатомам изучить полный образец ткани после того, как он был окрашен и подготовлен. Больше нет необходимости во взятии образцов ткани из органов.
Ученые-клиницисты могут оценить микроскопические и трехмерные особенности клеток благодаря повышенной четкости и разрешающей способности изображений.
«Красота и сложность ткани, которую я видел, были умопомрачительными», — рассказал Ченг по поводу изображений, опубликованных в журнале eLife.
Вычислительные мощности в сочетании с визуализацией позволяют вычислять и каталогизировать размер, форму, объем и плотность клеток. Эта способность позволяет изучать характеристики патологии заболевания новым способом, который может улучшить клиническую помощь и облегчить разработку лекарств.
Достижения в области компьютерных технологий позволяют обрабатывать и просматривать большие файлы изображений рыбок зебрафиш по 100 гигабайт каждый. Исследователи могут рассмотреть черты заболевания на системе органа, ткани или клетчатом уровне одновременно, кусочек за кусочком или в контексте 3D. Они могут даже видеть и взаимодействовать с клеточной структурой организмов, используя ту же технологию, что и геймеры в виртуальной реальности.
Источник: Penn State