Diagnostyka bez skalpela: mikroskopia rentgenowska zmienia histopatologię

Nowa technika obrazowania rentgenowskiego może zasadniczo zmienić sposób analizy próbek tkankowych w szpitalach, potencjalnie przyspieszając proces diagnostyczny oraz poprawiając rokowanie pacjentów – wynika z najnowszego badania prowadzonego przez naukowców z UCL.

Technologia, opracowana we współpracy z Memorial Sloan Kettering Cancer Centre, Rigaku Americas oraz Creatv MicroTech, Inc., umożliwia uzyskanie wysokiej jakości trójwymiarowych map tkanek biologicznych bez konieczności ich cięcia i barwienia. Stanowi to istotny postęp względem klasycznego podejścia stosowanego w histopatologii – dziedzinie zajmującej się badaniem tkanek w celu diagnostyki i leczenia chorób, w szczególności nowotworów.

Ograniczenia klasycznej histopatologii

Obecnie histopatologia opiera się na mechanicznym krojeniu materiału tkankowego pobranego podczas biopsji na bardzo cienkie skrawki, które następnie poddawane są barwieniu i analizie mikroskopowej. Uzyskane obrazy dwuwymiarowe są składane w rekonstrukcję trójwymiarową i interpretowane przez specjalistów.

Proces ten jest czasochłonny, kosztowny oraz destrukcyjny – co oznacza, że próbka ulega nieodwracalnemu zniszczeniu. W konsekwencji często niemożliwe jest przeprowadzenie dodatkowych badań, które mogłyby potwierdzić rozpoznanie lub dostarczyć dodatkowych informacji klinicznych.

Nowe podejście: obrazowanie 3D bez niszczenia próbki

Nowa metoda, opisana w czasopiśmie PNAS, wykorzystuje kompaktowy mikroskop rentgenowski oparty na standardowym źródle promieniowania X, stosowanym powszechnie w szpitalach. Urządzenie, wielkości niewielkiego aparatu laboratoryjnego, pozwala na uzyskanie wysokorozdzielczych trójwymiarowych obrazów nienaruszonych próbek tkankowych, znacząco redukując czas i koszty analizy.

Zasada działania polega na przepuszczaniu promieniowania rentgenowskiego przez fragment tkanki przy jednoczesnym jego obrocie. W trakcie tego procesu rejestrowane są tysiące obrazów pod różnymi kątami, które następnie – przy użyciu metod rekonstrukcji komputerowej – są łączone w szczegółowy model trójwymiarowy struktury wewnętrznej tkanki.

Zespół badawczy, kierowany przez dr Michela Esposito oraz prof. Sandro Olivo (UCL Medical Physics and Biomedical Engineering), wskazuje, że metoda ta może znacząco uprościć pracę laboratoriów histopatologicznych poprzez eliminację konieczności cięcia i barwienia tkanek, które wymagają specjalistycznego sprzętu oraz licznych odczynników chemicznych.

Porównanie z technologią synchrotronową

Dotychczas uzyskanie tak szczegółowych obrazów 3D było możliwe głównie w wyspecjalizowanych ośrodkach badawczych wykorzystujących synchrotrony – ogromne akceleratory cząstek o rozmiarach stadionów piłkarskich, których budowa i utrzymanie kosztują około 500 milionów funtów. Na świecie istnieje zaledwie około 50 takich instalacji.

Nowe rozwiązanie pozwala osiągnąć porównywalne rezultaty przy użyciu standardowej technologii rentgenowskiej, co czyni je znacznie bardziej dostępnym dla szpitali i ośrodków badawczych, w których histopatologia stanowi podstawę diagnostyki.

Automatyczna analiza struktur komórkowych

Oprócz samego obrazowania, technika umożliwia automatyczne wydobywanie cech biologicznych z próbek. W badaniu wykazano możliwość automatycznej identyfikacji i analizy kształtu oraz wielkości jąder komórkowych – parametrów ulegających zmianie w przebiegu chorób, takich jak nowotwory czy infekcje.

Może to znacząco zwiększyć dokładność diagnostyczną i ograniczyć subiektywność interpretacji wyników.

Integracja sztucznej inteligencji z obrazowaniem

Aby ułatwić patologom interpretację nowych danych, zespół badawczy – we współpracy z ekspertami z UCL Mechanical Engineering – opracował algorytm sztucznej inteligencji, który przekształca obrazy rentgenowskie w wirtualne preparaty przypominające klasyczne skrawki barwione hematoksyliną i eozyną (H&E).

Tak wygenerowane obrazy zachowują znany klinicystom format wizualny, jednocześnie oferując dodatkową wartość wynikającą z rzeczywistej trójwymiarowej reprezentacji architektury tkanki. Co istotne, metoda jest niedestrukcyjna, dzięki czemu próbka pozostaje dostępna do dalszych badań.

Znaczenie dla praktyki klinicznej i badań biomedycznych

Zdaniem badaczy technologia ta ma potencjał znacząco wpłynąć zarówno na praktykę kliniczną, jak i badania biomedyczne. Umożliwia ona dokładne obrazowanie struktur tkankowych w trzech wymiarach, aż do poziomu pojedynczych komórek, co otwiera nowe możliwości w diagnostyce oraz badaniach patofizjologicznych.

W przeciwieństwie do metod opartych na mikroskopii świetlnej, które mają ograniczoną zdolność penetracji głębszych warstw tkanki lub wymagają chemicznej preparatyki mogącej zmieniać jej strukturę, obrazowanie rentgenowskie pozwala na uzyskanie ilościowych danych o architekturze tkanki w większych objętościach bez ingerencji w jej integralność.

W perspektywie dalszego rozwoju technologia ta może skrócić czas diagnostyki, obniżyć koszty oraz dostarczyć lekarzom bardziej kompleksowych informacji o chorobie, co przełoży się na lepsze decyzje kliniczne i poprawę wyników leczenia pacjentów.

Źródło: PNAS, Three-dimensional high-content imaging of unstained soft tissue with subcellular resolution using a laboratory-based X-ray microscope
DOI: http://dx.doi.org/10.1073/pnas.2525239123