För att diagnostisera och behandla sjukdomar som cancer, forskare och läkare måste förstå hur celler reagerar på olika medicinska tillstånd och behandlingar. Forskare har utvecklat ett nytt sätt att studera sjukdom på cellnivå.

Dr Keith Cheng, framstående professor i patologi, farmakologi och biokemi och molekylärbiologi vid Penn State College of Medicine, och ett team av röntgenfysiker vid University of Chicago, har utvecklat en ny, 3D vävnadsavbildningsteknik, kallas röntgenhistotomografi. Tekniken gör det möjligt för forskare att studera detaljerna i celler i ett vävnadsprov utan att behöva skära det i skivor. Och det kan leda till bättre diagnos och behandling för en mängd olika sjukdomar, inklusive cancer.

"De kvantitativa och objektiva mätningarna som möjliggjorts genom histotomografi kan möjligen tillåta oss att skilja mellan subtyper av cancer och andra sjukdomar som för närvarande ser likadana ut med traditionell histologi så att de kan behandlas mer lämpligt, " sa Cheng.

Traditionell histologi innebär att man tar tunna skivor av vävnader från patienter, färgar dem, och undersöka dem för oregelbundna egenskaper under ett mikroskop. Fysisk snittning av provet introducerar vävnadsförlust och distorsion som leder till ofullständig provtagning och ofullkomliga visualiseringar. Enligt forskare, Röntgenhistotomografi undviker dessa problem och gör det möjligt att mäta de tredimensionella egenskaperna hos celler som form och volym exakt.

Över 10 år, Cheng och hans team utvecklade tekniken genom att kombinera principerna för mänsklig datortomografi (CT) -skanning och histologi för att avbilda små organismer och vävnader med en högre upplösning i 3D.

"Röntgenhistotomografi använder samma principer som en mänsklig CT-skanning, ", sa Cheng. "CT innebär att man tar en serie röntgenbilder av ett motiv, var och en i lite olika vinkel. Ett datorprogram använder sedan uppsättningen röntgenstrålar för att skapa en 3D-bild. "

Cheng-labbet hade tidigare använt mikro-CT, en mindre skala version av mänsklig CT, att avbilda små organismer och vävnader. Patrick La Rivière vid University of Chicago, docent i radiologi, introducerade Cheng för användning av en kraftfull röntgenkälla, synkrotronen, vilket gjorde det möjligt för forskargruppen att förbättra sin mikro-CT-skanning med ökad upplösning och snabbare bildtider. Det synkrotronbaserade mikro-CT kan hjälpa patologer en dag att svara på frågor som:

• Vilka är de individuella egenskaperna hos den sjukdom patienten har?
• Hur många sjuka celler finns det?
• Vilka är de individualiserade behandlingsalternativen baserat på vad jag ser?

Tekniken som behövs för att besvara sådana frågor var inte tillgänglig kommersiellt, Cheng sa, så han och ett team av ingenjörer, fysiker, datavetenskapare och biologer bestämde sig för att själva utveckla tekniken.

Efter ett decennium av optimering av provberedning och bildbehandling, laget skapade 3D-rekonstruktioner av unga zebrafiskar som kan undersökas från hela organismen ner till cellnivå. Zebrafiskar valdes för att utveckla denna teknik eftersom deras storlek från larver till vuxna är nästan densamma som prover som används av läkare för att utvärdera cancertumörer.

Enligt Cheng, forskare och kliniker kan nu undersöka funktioner som 3D-form, volym, plats och antal celler som tidigare inte kunde studeras med traditionell histologi. Tekniken gör att patologer kan studera ett fullständigt vävnadsprov efter att det har färgats och förberetts. Det är inte längre nödvändigt att skära en enda skiva vävnad ur hela provet.

Kliniska forskare kan utvärdera mikroskopiska och tredimensionella egenskaper hos celler på grund av ökad tydlighet och upplösning av bilderna.

"Skönheten och komplexiteten i vävnaden jag såg var sinnesböjande, " sa Cheng om bilderna som släpptes i tidningen eLife med forskningen den 11 juni.

Beräkningsverktyg i kombination med bildbehandling tillåter storlek, form, volym och täthet av celler som ska beräknas och katalogiseras. Denna förmåga gör det möjligt att studera egenskaperna hos sjukdomspatologi på ett nytt sätt som kan förbättra klinisk vård och underlätta upptäckt av läkemedel.

Framsteg inom datorteknik gör att zebrafiskens stora bildfiler - på 100 gigabyte vardera - kan bearbetas och ses. Forskare kan undersöka sjukdomens egenskaper i organsystemet, vävnad eller cellnivå samtidigt, skiva-för-skiva eller i 3D-sammanhang. De kanske till och med kan se och interagera med cellstrukturen hos organismer med samma teknik som används av virtual reality -spelare.

Framtida forskning av Cheng-teamet syftar till att öka upplösningen, provstorlek, genomströmning, analytisk kraft och teknikens tillgänglighet.