Voor een ziekte als kanker, artsen wenden zich vaak tot computertomografie (CT) -scans voor een meer definitieve diagnose, gebaseerd op het reconstrueren van een 3D-orgel uit meerdere 2D-beeldplakken. Op moleculair niveau, dergelijke 3D-scans kunnen een belangrijk onderdeel worden van precisiegeneeskunde:een toekomst waarin behandelbeslissingen worden afgestemd op de unieke cellulaire kenmerken van elke patiënt.

Maar door het idee van CT-scans van grote organen te vertalen, zoals ons hart of onze hersenen, tot minuscule moleculen is verre van triviaal - daarom is Paul Campagnola, een professor in biomedische technologie en medische fysica aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, heeft er zijn beroep van gemaakt.

Met een artikel dat deze maand (oktober 2017) in het tijdschrift is gepubliceerd optiek , hij heeft nu een cruciale volgende stap gezet in de richting van de 3D-moleculaire beeldvorming van collageen, het meest voorkomende eiwit bij de mens dat in al onze botten wordt aangetroffen, pezen en bindweefsel.

"Collageen is essentieel voor bot- en weefselstabiliteit, en veranderingen in de intrinsieke 3D-organisatie zijn een belangrijk kenmerk van alle vormen van kanker en verschillende andere ziekten, " zegt Campagnola. "Daarom kunnen gedetailleerde beelden van deze veranderingen in de toekomst een belangrijk onderdeel worden van klinische behandelingsbeslissingen."

Wat maakt collageenbeeldvorming zo lastig? Een traditionele optische microscoop geeft verschillen weer, of contrasten, tussen lichtere en donkere objecten omdat ze verschillende golflengten absorberen van het licht dat er doorheen schijnt. Maar aangezien collageenmoleculen transparant zijn, ze genereren die contrasten niet.

Er zijn speciale technieken beschikbaar om transparante objecten af ​​te beelden, maar in het geval van collageen, Campagnola en andere onderzoekers hebben eind jaren negentig aangetoond dat 2D-beelden met een hogere resolutie het resultaat zijn van het benutten van de starre en hiërarchische structuur:individuele collageenmoleculen worden als een bakstenen muur op elkaar gestapeld tot collageenfibrillen, die naast elkaar zijn verpakt in parallelle bundels die collageenvezels worden genoemd. Het is deze structuur die op collageen gebaseerde lichaamsdelen hun bijna staalachtige stabiliteit geeft.

En hoewel zo'n sterk georganiseerde transparante structuur de primaire frequentie van het licht niet verandert, het interageert met zijn zogenaamde "tweede harmonische" frequentie. In muziek, de tweede harmonische van een geluidsgolf heeft twee keer de frequentie en de helft van de golflengte van het origineel, het creëren van een geluid een octaaf hoger op een snaarinstrument.

"Collageen is het meest voorkomende type menselijk weefsel waarvan de interactie met een laser een nieuw uniek signaal creëert dat we tweede harmonisch licht noemen, analoog aan het tweede harmonische geluid van muziek, " legt Campagnola uit. "In tegenstelling tot andere materialen, collageenmoleculen assembleren op zo'n manier dat dit licht helder is en onderscheid kan maken tussen verschillende substructuren."

Dus, microscopie van de tweede harmonische generatie werd geboren toen onderzoekers leerden hoe ze deze signalen van hogere orde in 2D-beelden konden omzetten, maar 3D-beelden bleven nog een paar jaar ongrijpbaar.

Met hun nieuwe studie Campagnola's groep heeft nu het experimentele en computationele raamwerk geleverd voor het samenstellen van 2D-collageenafbeeldingen, genomen vanuit meerdere hoeken rond het weefselmonster, in een 3D-weergave met gemiddelde resolutie, vergelijkbaar met de bekende CT-scan van menselijke organen.

De sleutel tot dit nieuwe beeldvormingsparadigma is een 3D-geprint apparaat dat een buis vasthoudt aan een kleine motor en op het podium van een rechtopstaande microscoop zit. Zodra een weefselmonster (zeg, een muisstaartpees) in de buis wordt geplaatst, de motor begint te draaien. Elke keer dat een laserbron, bevindt zich onder het podium, stuurt licht door het roterende monster, een laserscanner registreert het resulterende 2D-microscoopbeeld. Aan het einde van de procedure, een complex wiskundig algoritme reconstrueert een 3D-beeld - een eerste stap in de richting van tomografie van de tweede harmonische generatie - van alle 2D-plakjes.

Eenmaal ingezet in klinische omgevingen, 3D-collageentomografie met hoge resolutie kan aanscherpen, bijvoorbeeld, over subtiele verschillen tussen sterk uitgelijnde collageenvezels in borst- en eierstokkankerweefsel, die verschillen van het gearceerde netwerk van collageen dat in normaal weefsel wordt aangetroffen. Deze beelden kunnen informatie geven over behandelingsbeslissingen, niet alleen voor kanker, maar ook voor longfibrose, een aandoening waarbij beschadigd en met littekens bedekt longweefsel het vermogen van een patiënt om te ademen vermindert.

"Ons volgende doel is om de nieuwe technologie toe te passen op een verscheidenheid aan zieke weefsels, ", zegt Campagnola. "Als we een patiëntendatabase kunnen bouwen die groot genoeg is, met zowel beelden als klinische resultaten, artsen kunnen uiteindelijk kiezen voor chemotherapie of andere behandelingen op basis van de 3D-collageenstructuur in het eigen weefsel van een patiënt - het soort precisiemedicijn dat echt een verschil kan maken in het succes van de behandeling."