Ny 3D-billeddannelsesteknik til fremtidens værktøjskasse til præcisionsmedicin

For en sygdom som kræft, læger henvender sig ofte til computertomografi (CT) for at få en mere endelig diagnose, baseret på rekonstruktion af et 3-D-organ fra flere 2-D-billedskiver. På molekylært niveau, sådanne 3D-scanninger kan blive en vigtig del af præcisionsmedicin:en fremtid med at skræddersy behandlingsbeslutninger til hver patients unikke mobilfunktioner.

Men oversætter ideen om CT -scanninger fra store organer, såsom vores hjerte eller hjerne, at minimere molekyler er langt fra trivielt - derfor er Paul Campagnola, professor i biomedicinsk teknik og medicinsk fysik ved University of Wisconsin-Madison, har gjort en karriere ud af det.

Med et papir offentliggjort denne måned (oktober 2017) i tidsskriftet Optica , han har nu taget et afgørende næste skridt i retning af 3D-molekylær billeddannelse af kollagen, det mest rigelige protein hos mennesker, der findes i alle vores knogler, sener og bindevæv.

"Kollagen er afgørende for knogle- og vævsstabilitet, og ændringer i dens iboende 3D-organisation er et centralt træk ved alle kræftformer og flere andre sygdomme, "Campagnola siger." Derfor kan detaljerede billeder af disse ændringer blive en vigtig del af kliniske behandlingsbeslutninger i fremtiden. "

Hvad gør collagen -billeddannelse så vanskelig? Et traditionelt optisk mikroskop viser forskelle, eller kontraster, mellem lysere og mørkere genstande, fordi de absorberer forskellige bølgelængder af det lys, der skinner igennem dem. Men da kollagenmolekyler er gennemsigtige, de genererer ikke de kontraster.

Der findes særlige teknikker til billedgennemsigtige objekter, men i tilfælde af kollagen, Campagnola og andre forskere demonstrerede i slutningen af ​​1990'erne, at 2-D-billeder med højere opløsning skyldes udnyttelse af dens stive og hierarkiske struktur:Individuelle kollagenmolekyler stables sammen som en mur til kollagenfibriller, som pakkes side om side i parallelle bundter kaldet kollagenfibre. Det er denne struktur, der giver kollagenbaserede kropsdele deres næsten stållignende stabilitet.

Og selvom en så stærkt organiseret gennemsigtig struktur ikke ændrer lysets primære frekvens, den interagerer med sin såkaldte "anden harmoniske" frekvens. I musik, den anden harmoniske af en lydbølge har to gange frekvensen og halvdelen af ​​bølgelængden af ​​originalen, skaber en lyd en oktav højere på et strengeinstrument.

"Kollagen er den mest almindelige humane vævstype, hvis interaktion med en laser skaber et nyt unikt signal, som vi kalder andet harmonisk lys, analog med musikens anden harmoniske lyd, "Campagnola forklarer." I modsætning til andre materialer, kollagens molekyler samles på en sådan måde, at dette lys er klart og kan skelne mellem forskellige understrukturer. "

Dermed, Anden harmonisk generations mikroskopi blev født, da forskere lærte at konvertere disse højere ordens signaler til 2-D-billeder-men 3D-billeder forblev undvigende i et par år mere.

Med deres nye studie, Campagnolas gruppe har nu leveret de eksperimentelle og beregningsmæssige rammer til at samle 2-D kollagenbilleder, taget fra flere vinkler omkring vævsprøven, til en 3D-visning med moderat opløsning, ligner den velkendte CT -scanning af menneskelige organer.

Nøglen til dette nye billeddannelsesparadigme er en 3D-trykt enhed, der holder et rør fastgjort til en lille motor og sidder på scenen i et opretstående mikroskop. Når en vævsprøve (f.eks. en mushale) anbringes i røret, motoren begynder at dreje den. Hver gang en laserkilde, placeret under scenen, sender lys gennem den roterende prøve, en laserscanner registrerer det resulterende 2-D mikroskopbillede. Ved afslutningen af ​​proceduren, en kompleks matematisk algoritme rekonstruerer et 3D-billede-et første skridt mod anden harmonisk generations tomografi-fra alle 2-D-skiver.

Når den er implementeret i kliniske indstillinger, højopløselig 3-D kollagen tomografi kan finpudse, for eksempel, om subtile forskelle mellem stærkt justerede kollagenfibre i bryst- og æggestokkræftvæv, som adskiller sig fra det krydsskraverede net af kollagen, der findes i normalt væv. Disse billeder kan informere behandlingsbeslutninger ikke kun for kræft, men også for lungefibrose, en tilstand, hvor beskadiget og arret lungevæv reducerer en patients evne til at trække vejret.

"Vores næste mål er at anvende den nye teknologi på en række syge væv, "Campagnola siger." Hvis vi kan opbygge en stor nok patientdatabase med både billeder og kliniske resultater, læger kan i sidste ende vælge kemoterapi eller andre behandlinger baseret på 3D-kollagenstrukturen i en patients eget væv-hvilket er den slags præcisionsmedicin, der virkelig kan gøre en forskel i behandlingssucces. "