Stigning i opløsning, skala tager CT -scanning og diagnose til det næste niveau

For at diagnosticere og behandle sygdomme som kræft, forskere og læger skal forstå, hvordan celler reagerer på forskellige medicinske tilstande og behandlinger. Forskere har udviklet en ny måde at studere sygdom på celleniveau.

Dr. Keith Cheng, fremstående professor i patologi, farmakologi og biokemi og molekylærbiologi ved Penn State College of Medicine, og et team af røntgenfotografer ved University of Chicago, har udviklet en ny, 3D-teknik til billeddannelse af væv, kaldes røntgenhistotomografi. Teknikken giver forskere mulighed for at studere detaljerne i celler i en vævsprøve uden at skulle skære den i skiver. Og det kan føre til bedre diagnose og behandling af en række sygdomme, herunder kræft.

"De kvantitative og objektive målinger, der er muliggjort ved hjælp af histotomografi, kan potentielt give os mulighed for at skelne mellem undertyper af kræft og andre sygdomme, der i øjeblikket ser ens ud ved hjælp af traditionel histologi, så de kan behandles mere hensigtsmæssigt, "Sagde Cheng.

Traditionel histologi involverer at tage tynde skiver væv fra patienter, farvning dem, og undersøge dem for uregelmæssige træk under et mikroskop. Fysisk snitning af prøven introducerer vævstab og forvrængning, der fører til ufuldstændig prøveudtagning og ufuldkomne visualiseringer. Ifølge forskere, Røntgenhistotomografi undgår disse problemer og gør det muligt at måle de tredimensionelle funktioner i celler som form og volumen nøjagtigt.

Over 10 år, Cheng og hans team udviklede teknikken ved at kombinere principperne for menneskelig computertomografi (CT) -scanning og histologi til at afbilde små organismer og væv i en større opløsning i 3D.

"Røntgenhistotomografi bruger de samme principper som en human CT-scanning, "Cheng sagde." CT indebærer at skyde en række røntgenstråler af et motiv, hver i en lidt anden vinkel. Et computerprogram bruger derefter sættet med røntgenstråler til at oprette et 3D-billede. "

Cheng-laboratoriet havde tidligere brugt mikro-CT, en mindre version af human CT, til at forestille små organismer og væv. Patrick La Rivière, University of Chicago, lektor i radiologi, introducerede Cheng for brugen af ​​en kraftig røntgenkilde, synkrotronen, som gjorde det muligt for forskergruppen at forbedre deres mikro-CT-scanning med øget opløsning og hurtigere billeddannelsestider. Den synkrotronbaserede mikro-CT kan en dag hjælpe patologer med at besvare spørgsmål som:

• Hvad er de individuelle egenskaber ved den sygdom, patienten har?
• Hvor mange syge celler er der?
• Hvad er de individualiserede behandlingsmuligheder baseret på det, jeg ser?

Den nødvendige teknologi til at besvare spørgsmål som dem var ikke tilgængelig kommercielt, Cheng sagde, så han og et team af ingeniører, fysikere, dataforskere og biologer satte sig for selv at udvikle teknikken.

Efter et årti med optimering af prøveforberedelse og billeddannelse, teamet skabte 3-D rekonstruktioner af unge zebrafisk, der kan undersøges fra hele organismen ned til et cellulært niveau. Zebrafisk blev valgt til at udvikle denne teknologi, fordi deres størrelse fra larver til voksne er næsten den samme som prøver, som læger brugte til at vurdere kræftsvulster.

Ifølge Cheng, forskere og klinikere kan nu undersøge funktioner som 3D-form, bind, placering og antal celler, der tidligere ikke kunne undersøges ved hjælp af traditionel histologi. Teknikken gør det muligt for patologer at studere en fuld vævsprøve, efter at den er blevet farvet og forberedt. Det er ikke længere nødvendigt at skære et enkelt stykke væv ud af hele prøven.

Kliniske forskere kan evaluere mikroskopiske og tredimensionelle funktioner i celler på grund af den øgede klarhed og opløsning af billederne.

"Skønheden og kompleksiteten af ​​det væv, jeg så, var åndssvækkende, "Cheng sagde om billederne, der blev offentliggjort i journalen eLife med forskningen den 11. juni.

Beregningsværktøjer kombineret med billeddannelsen tillader størrelsen, form, volumen og tæthed af celler, der skal beregnes og katalogiseres. Denne evne gør det muligt at undersøge egenskaberne ved sygdomspatologi på en ny måde, der kan forbedre den kliniske pleje og lette opdagelsen af ​​lægemidler.

Fremskridt inden for computerteknologi gør det muligt for zebrafiskens store billedfiler - på 100 gigabyte hver - at blive behandlet og set. Forskere kan undersøge sygdommens træk ved organsystemet, vævs- eller mobilniveau samtidigt, skive-for-skive eller i 3D-sammenhæng. De kan endda være i stand til at se og interagere med cellers struktur af organismer ved hjælp af den samme teknologi, der bruges af virtual reality -spillere.

Fremtidig forskning fra Cheng -teamet har til formål at øge opløsningen, prøve størrelse, gennemstrømning, analytisk kraft og tilgængelighed af teknikken.