Un pesce zebra ripreso con il nuovo metodo CT, con colori assegnati alle strutture in base alla loro profondità all'interno del pesce. Credito:Penn State College of Medicine
Per diagnosticare e curare malattie come il cancro, scienziati e medici devono capire come le cellule rispondono a diverse condizioni mediche e trattamenti. I ricercatori hanno sviluppato un nuovo modo di studiare le malattie a livello cellulare.
Dott. Keith Cheng, illustre professore di patologia, farmacologia e biochimica e biologia molecolare al Penn State College of Medicine, e un team di fisici di imaging a raggi X presso l'Università di Chicago, hanno sviluppato un nuovo, tecnica di imaging tissutale 3D, chiamata istotomografia a raggi X. La tecnica consente ai ricercatori di studiare i dettagli delle cellule in un campione di tessuto senza doverlo tagliare a fette. E questo potrebbe portare a una migliore diagnosi e cura per una varietà di malattie, compreso il cancro.
"Le misurazioni quantitative e oggettive rese possibili dall'istotomografia potrebbero potenzialmente consentirci di distinguere tra sottotipi di cancro e altre malattie che attualmente sembrano uguali utilizzando l'istologia tradizionale in modo che possano essere trattate in modo più appropriato, " Ha detto Cheng.
L'istologia tradizionale prevede il prelievo di sottili fette di tessuto dai pazienti, macchiandoli, ed esaminandoli per caratteristiche irregolari al microscopio. Il sezionamento fisico del campione introduce perdita di tessuto e distorsione che porta a un campionamento incompleto e visualizzazioni imperfette. Secondo i ricercatori, L'istotomografia a raggi X evita questi problemi e consente di misurare con precisione le caratteristiche tridimensionali delle cellule come la forma e il volume.
Oltre 10 anni, Cheng e il suo team hanno sviluppato la tecnica combinando i principi della scansione e dell'istologia della tomografia computerizzata umana (TC) per visualizzare piccoli organismi e tessuti con una risoluzione maggiore in 3-D.
"L'istotomografia a raggi X utilizza gli stessi principi di una TAC umana, " Ha detto Cheng. "La TC comporta la ripresa di una serie di raggi X di un soggetto, ciascuno con un angolo leggermente diverso. Un programma per computer utilizza quindi il set di raggi X per creare un'immagine 3D".
Il laboratorio Cheng aveva precedentemente utilizzato la micro-TC, una versione su scala ridotta della TC umana, per l'immagine di piccoli organismi e tessuti. Patrick La Rivière dell'Università di Chicago, professore associato di radiologia, introdusse Cheng all'uso di una potente sorgente di raggi X, il sincrotrone, che ha permesso al team di ricerca di migliorare la scansione micro-TC con una maggiore risoluzione e tempi di imaging più rapidi. La micro-TC basata sul sincrotrone potrebbe aiutare i patologi un giorno a rispondere a domande come:
La tecnologia necessaria per rispondere a domande come quelle non era disponibile in commercio, Cheng ha detto, così lui e un team di ingegneri, fisici, data scientist e biologi hanno deciso di sviluppare la tecnica da soli.
Dopo un decennio di ottimizzazione della preparazione del campione e dell'imaging, il team ha creato ricostruzioni 3D di giovani pesci zebra che possono essere esaminati dall'intero organismo fino al livello cellulare. I pesci zebra sono stati scelti per sviluppare questa tecnologia perché le loro dimensioni, dalle larve agli adulti, sono quasi le stesse dei campioni utilizzati dai medici per valutare i tumori cancerosi.
Secondo Cheng, ricercatori e medici possono ora esaminare caratteristiche come la forma 3D, volume, posizione e numero di cellule che in precedenza non potevano essere studiate utilizzando l'istologia tradizionale. La tecnica consentirà ai patologi di studiare un campione di tessuto completo dopo che è stato colorato e preparato. Non è più necessario tagliare una singola fetta di tessuto dall'intero campione.
Gli scienziati clinici possono valutare le caratteristiche microscopiche e tridimensionali delle cellule grazie alla maggiore chiarezza e risoluzione delle immagini.
"La bellezza e la complessità del tessuto che ho visto è stata strabiliante, " Cheng ha detto delle immagini pubblicate sul giornale eLife con la ricerca dell'11 giugno.
Gli strumenti di calcolo combinati con l'imaging consentono la dimensione, forma, volume e densità delle cellule da calcolare e catalogare. Questa capacità consente di studiare le caratteristiche della patologia della malattia in un modo nuovo che può migliorare l'assistenza clinica e facilitare la scoperta di farmaci.
I progressi della tecnologia informatica consentono di elaborare e visualizzare i file di immagine di grandi dimensioni del pesce zebra, a 100 gigabyte ciascuno. I ricercatori possono esaminare i tratti della malattia nel sistema di organi, tessuto o livello cellulare contemporaneamente, fetta per fetta o in un contesto 3D. Potrebbero persino essere in grado di vedere e interagire con la struttura cellulare degli organismi utilizzando la stessa tecnologia utilizzata dai giocatori di realtà virtuale.
La ricerca futura del team Cheng mira ad aumentare la risoluzione, misura di prova, portata, potere analitico e accessibilità della tecnica.
