Ekspansionsmikroskopi og virtual reality belyser nye måder at forebygge og behandle sygdom på

Et kombineret forskerhold fra Carnegie Mellon University og Benaroya Research Institute ved Virginia Mason parrer en billedbehandlingsteknik i nanoskala med virtual reality-teknologi (VR) for at skabe en metode, der gør det muligt for forskere at "træde ind i" deres biologiske data.

Ved at kombinere teknikken, kaldet ekspansionsmikroskopi, med VR, videnskabsmænd vil være i stand til at forstørre, udforske og analysere cellestrukturer langt ud over mulighederne for traditionel lysmikroskopi.

Udviklingen af ​​disse teknologier, en to-trins proces finansieret til $200, 000 gennem Grand Challenges, et initiativ fra Bill &Melinda Gates Foundation, vil fremskynde forskernes forståelse af infektionssygdomme og autoimmune sygdomme og styrke deres evne til at udvikle sygdomsdiagnostik og forebyggelses- og behandlingsmetoder.

Yongxin (Leon) Zhao, en assisterende professor i biologiske videnskaber ved Carnegie Mellon's Mellon College of Science, har udviklet ekspansionsmikroskopi-teknikken til fysisk at forstørre en biopsi, giver forskere mulighed for at se fine detaljer i biologiske prøver ved hjælp af standardmikroskoper.

Zhao får biopsiprøver til at vokse i størrelse ved kemisk at omdanne dem til vandopløselige hydrogeler. Han anvender derefter en behandling, der løsner vævene og giver dem mulighed for at udvide sig mere end 100 gange i volumen. Vævene og molekylerne i prøven kan derefter mærkes, afbildet og kompileret til et komplekst sæt data, skal bruges til at studere interaktioner mellem celler og deres strukturer.

Imidlertid, en begrænsning ved teknologien er, at den udtrækker to til tre størrelsesordener flere data, end de nuværende teknikker er i stand til at fortolke. For at hjælpe med at løse det problem, Gates Foundation-bevillingen parrer ekspansionsmikroskopi med en virtual reality-teknik udviklet ved Benaroya Research Institute i Virginia Mason (BRI).

Gennem VR-teknologi udviklet specielt til dette formål, forskere vil være i stand til at se og manipulere de oprindelige 2-D ekspansionsmikroskopibilleder i 3-D, giver dem et 360 graders overblik over vævs- og proteinorganisationer og interaktioner.

"Hos BRI, vi forbereder de levende prøver af infektions- og autoimmunsygdomme, " sagde Caroline Stefani, senior postdoc forskningsassistent. "Vi sender dem til Carnegie Mellon, hvor de vil forstørre prøverne og sende billeder tilbage til BRI for at blive vist i VR."

"Dette er fremtiden for, hvordan forskere kan håndtere komplekse data, " sagde Zhao. "Det er en fordybende oplevelse, ligesom du sidder inde i dine data. Du har friheden til at udforske dine data fra alle vinkler og steder."

Virtual reality-teknologien er udviklet af Tom Skillman, BRIs tidligere direktør for forskningsteknologi, som siden har grundlagt et VR-selskab, Fordybende videnskab.

"Min rolle i denne bevilling er at udvikle et softwareværktøj, der vil give forskere, der studerer sygdom, en måde at forstå store mængder data gennem en beregningsteknik kaldet 'immersive science'. '" sagde Skillman. "At bringe alle disse data ind i VR giver ikke kun videnskabsmanden mulighed for at se deres 2-D mikroskopbilleder i fuld 3-D, men at interagere med dataene, valg af kanaler, justere visningerne, farver og kontrast, og gribe og rotere billederne for hurtigt at identificere nøgleaspekter af billedet, der er koblet tilbage til sygdommen, der undersøges."

Det endelige mål er VR-værktøjet, kaldet ExMicroVR, at blive delt på åbne platforme med andre forskere sammen med ekspansionsmikroskopi, så de også kan se nye detaljer om sygdomsprocesser og forstå større, mere komplekse datasæt.

Systemet til at konvertere ekspansionsmikroskopidata til VR 3-D-billeder vil være overkommeligt og let tilgængeligt for forskere og læger i udviklingslande. Det vil også give op til seks personer mulighed for at samarbejde og se den samme prøve eksternt på samme tid.