Om ziekten zoals kanker te diagnosticeren en te behandelen, wetenschappers en artsen moeten begrijpen hoe cellen reageren op verschillende medische aandoeningen en behandelingen. Onderzoekers hebben een nieuwe manier ontwikkeld om ziekten op cellulair niveau te bestuderen.

Dr. Keith Cheng, vooraanstaand hoogleraar pathologie, farmacologie en biochemie en moleculaire biologie aan het Penn State College of Medicine, en een team van röntgenbeeldvormingsfysici aan de Universiteit van Chicago, hebben een nieuwe ontwikkeld, 3D-weefselbeeldvormingstechniek, röntgenhistotomografie genoemd. De techniek stelt onderzoekers in staat om de details van cellen in een weefselmonster te bestuderen zonder het in plakjes te hoeven snijden. En dat zou kunnen leiden tot een betere diagnose en behandeling van een verscheidenheid aan ziekten, waaronder kanker.

"De kwantitatieve en objectieve metingen die mogelijk worden gemaakt door histotomografie kunnen ons mogelijk in staat stellen om onderscheid te maken tussen subtypes van kanker en andere ziekten die er momenteel hetzelfde uitzien met behulp van traditionele histologie, zodat ze beter kunnen worden behandeld, ' zei Chen.

Traditionele histologie omvat het nemen van dunne plakjes weefsel van patiënten, ze bevlekken, en ze onder een microscoop te onderzoeken op onregelmatige kenmerken. Fysiek snijden van het monster introduceert weefselverlies en vervorming die leidt tot onvolledige bemonstering en onvolmaakte visualisaties. Volgens onderzoekers, Röntgenhistotomografie vermijdt deze problemen en maakt het mogelijk de driedimensionale kenmerken van cellen, zoals vorm en volume, nauwkeurig te meten.

Meer dan 10 jaar, Cheng en zijn team ontwikkelden de techniek door de principes van menselijke computertomografie (CT)-scanning en histologie te combineren om kleine organismen en weefsels met een grotere resolutie in 3D af te beelden.

"Röntgenhistotomografie gebruikt dezelfde principes als een menselijke CT-scan, "Cheng zei. "CT omvat het maken van een reeks röntgenfoto's van een onderwerp, elk in een iets andere hoek. Een computerprogramma gebruikt vervolgens de reeks röntgenstralen om een ​​3D-beeld te maken."

Het Cheng-lab had eerder micro-CT gebruikt, een kleinere versie van menselijke CT, om kleine organismen en weefsels in beeld te brengen. Patrick La Rivière van de universiteit van Chicago, universitair hoofddocent radiologie, introduceerde Cheng in het gebruik van een krachtige röntgenbron, de synchrotron, waardoor het onderzoeksteam hun micro-CT-scanning kon verbeteren met een hogere resolutie en snellere beeldvormingstijden. De op synchrotron gebaseerde micro-CT kan pathologen op een dag helpen om vragen te beantwoorden als:

• Wat zijn de individuele kenmerken van de ziekte van de patiënt?
• Hoeveel zieke cellen zijn er?
• Wat zijn de geïndividualiseerde behandelingsopties op basis van wat ik zie?

De technologie die nodig was om dit soort vragen te beantwoorden, was niet in de handel verkrijgbaar, Chen zei, dus hij en een team van ingenieurs, natuurkundigen, datawetenschappers en biologen gingen de techniek zelf ontwikkelen.

Na een decennium van het optimaliseren van de monstervoorbereiding en beeldvorming, het team creëerde 3D-reconstructies van jonge zebravissen die van het hele organisme tot op cellulair niveau kunnen worden onderzocht. Zebravissen werden gekozen om deze technologie te ontwikkelen omdat hun grootte van larven tot volwassenen bijna hetzelfde is als monsters die door artsen worden gebruikt om kankertumoren te evalueren.

Volgens Chen, onderzoekers en clinici kunnen nu functies onderzoeken zoals 3D-vorm, volume, locatie en aantal cellen die voorheen niet konden worden bestudeerd met behulp van traditionele histologie. Met deze techniek kunnen pathologen een volledig weefselmonster bestuderen nadat het is gekleurd en voorbereid. Het is niet langer nodig om een ​​enkel plakje weefsel uit het hele monster te snijden.

Klinische wetenschappers kunnen microscopische en driedimensionale kenmerken van cellen evalueren vanwege de verhoogde helderheid en resolutie van de afbeeldingen.

"De schoonheid en complexiteit van het weefsel dat ik zag was verbijsterend, " zei Cheng over de afbeeldingen die in het tijdschrift zijn vrijgegeven eLife met het onderzoek op 11 juni.

Computationele hulpmiddelen in combinatie met de beeldvorming maken het mogelijk om de grootte, vorm, volume en dichtheid van cellen die moeten worden berekend en gecatalogiseerd. Dit vermogen maakt het mogelijk om de kenmerken van ziektepathologie op een nieuwe manier te bestuderen die de klinische zorg kan verbeteren en de ontdekking van geneesmiddelen kan vergemakkelijken.

Dankzij de vooruitgang in de computertechnologie kunnen de grote afbeeldingsbestanden van de zebravis - van elk 100 gigabyte - worden verwerkt en bekeken. Onderzoekers kunnen de kenmerken van ziekte in het orgaansysteem onderzoeken, weefsel- of celniveau tegelijkertijd, stukje voor stukje of in 3D-context. Ze zijn misschien zelfs in staat om de cellulaire structuur van organismen te zien en ermee om te gaan met behulp van dezelfde technologie die wordt gebruikt door virtual reality-gamers.

Toekomstig onderzoek door het Cheng-team heeft tot doel de resolutie te verhogen, steekproefomvang, doorvoer, analytisch vermogen en toegankelijkheid van de techniek.