För en sjukdom som cancer, läkare vänder sig ofta till datortomografi (CT) för en mer definitiv diagnos, baserat på att rekonstruera ett 3D-organ från flera 2D-bildskivor. På molekylär nivå, sådana 3D-skanningar kan bli en viktig del av precisionsmedicin:en framtid med att skräddarsy behandlingsbeslut efter varje patients unika cellulära egenskaper.

Men översätter idén om CT -skanningar från stora organ, såsom vårt hjärta eller hjärna, att små molekyler är långt ifrån trivialt – det är därför Paul Campagnola, professor i biomedicinsk teknik och medicinsk fysik vid University of Wisconsin-Madison, har gjort en karriär av det.

Med ett papper publicerat denna månad (oktober 2017) i tidningen Optica , han har nu tagit ett avgörande nästa steg mot 3D-molekylär avbildning av kollagen, det vanligaste proteinet hos människor som finns i alla våra ben, senor och bindväv.

"Kollagen är viktigt för ben- och vävnadsstabilitet, och förändringar i dess inneboende 3-D-organisation är en nyckelfunktion för alla cancerformer och flera andra sjukdomar, "Campagnola säger." Det är därför detaljerade bilder av dessa förändringar kan bli en viktig del av kliniska behandlingsbeslut i framtiden. "

Vad gör kollagenbildning så knepig? Ett traditionellt optiskt mikroskop visar skillnader, eller kontraster, mellan ljusare och mörkare föremål eftersom de absorberar olika våglängder av ljuset som lyser igenom dem. Men eftersom kollagenmolekyler är genomskinliga, de skapar inte dessa kontraster.

Särskilda tekniker är tillgängliga för bildtransparenta objekt, men när det gäller kollagen, Campagnola och andra forskare visade i slutet av 1990-talet att högupplösta 2-D-bilder är resultatet av att utnyttja dess styva och hierarkiska struktur:Individuella kollagenmolekyler staplas ihop som en tegelvägg till kollagenfibriller, som packas sida vid sida i parallella buntar som kallas kollagenfibrer. Det är denna struktur som ger kollagenbaserade kroppsdelar deras nästan stålliknande stabilitet.

Och även om en så välorganiserad transparent struktur inte förändrar ljusets primära frekvens, den interagerar med sin så kallade "andra harmoniska" frekvens. Inom musik, den andra övertonen i en ljudvåg har dubbelt så hög frekvens som hälften av originalets våglängd, skapa ett ljud en oktav högre på ett stränginstrument.

"Kollagen är den vanligaste typen av mänsklig vävnad vars interaktion med en laser skapar en ny unik signal som vi kallar andra harmoniska ljus, analogt med musikens andra harmoniska ljud, "Campagnola förklarar." Till skillnad från andra material, kollagens molekyler samlas på ett sådant sätt att detta ljus är starkt och kan skilja mellan olika substrukturer. "

Således, andra harmoniska generationens mikroskopi föddes när forskare lärde sig hur man konverterar dessa högre ordningssignaler till 2-D-bilder-men 3D-bilder förblev svårfångade i några år till.

Med sin nya studie, Campagnolas grupp har nu tillhandahållit det experimentella och beräkningsramverket för sammansättning av 2-D kollagenbilder, tas från flera vinklar runt vävnadsprovet, till en 3D-vy med måttlig upplösning, liknande den välkända CT -skanningen av mänskliga organ.

Nyckeln till detta nya avbildningsparadigm är en 3D-tryckt enhet som håller ett rör fäst vid en liten motor och sitter på scenen i ett upprätt mikroskop. En gång ett vävnadsprov (säg, en mus svans sena) placeras i röret, motorn börjar snurra. Varje gång en laserkälla, ligger under scenen, skickar ljus genom det roterande provet, en laserskanner registrerar den resulterande 2-D-mikroskopbilden. I slutet av proceduren, en komplex matematisk algoritm rekonstruerar en 3D-bild – ett första steg mot andra övertonsgenerationens tomografi – från alla 2D-skivorna.

När den väl har använts i kliniska miljöer, högupplöst 3D-kollagentomografi kan finslipa, till exempel, om subtila skillnader mellan högt anpassade kollagenfibrer i bröst- och äggstockscancervävnad, som skiljer sig från det tvärkläckta nätet av kollagen som finns i normal vävnad. Dessa bilder kan informera behandlingsbeslut inte bara för cancer, men också för lungfibros, ett tillstånd där skadad och ärrad lungvävnad minskar patientens andningsförmåga.

"Vårt nästa mål är att tillämpa den nya tekniken på en mängd olika sjuka vävnader, "Campagnola säger." Om vi ​​kan bygga en tillräckligt stor patientdatabas med både bilder och kliniska resultat, läkare kan så småningom välja kemoterapi eller andra behandlingar baserade på 3D-kollagenstrukturen i patientens egen vävnad-vilket är den typ av precisionsmedicin som verkligen kan göra skillnad i behandlingsframgångar. "