Трехмерное изображение органов человека с микрометрическим разрешением

Ученые Центра молекулярной медицины шведского университета Умео (один из крупнейших университетов Швеции, располагающийся в городе Умео в северной части страны, фото справа) Макс Хан (Max Hahn), Кристофер Норд (Christoffer Nord), Мария Эрикссон (Maria Eriksson), Федерико Морини (Federico Morini), Томас Аланентало (Tomas Alanentalo) и Ульф Альгрен (Ulf Ahlgren) создали метод изучения конкретных типов клеток с точностью до микрометра (1 мкм = 0,001 мм = 0,0001 см = 0,000001 м). Ученые с помощью пространственного 3D-моделирования выявляли ранее нераспознанные изменения в поджелудочной железе.

Но продемонстрированный метод может быть использован и для изучения других органов и заболеваний человека. Технология может способствовать углубленному пониманию того, как клеточные изменения связаны с различными заболеваниями.

Как мы уже сказали, ученые из Умео использовали этот метод для изучения поджелудочной железы человека. Внутри этого органа находятся сотни тысяч клеток, вырабатывающих инсулин, которые называются островками Лангерганса. Эти островки выполняют ключевую функцию в производстве инсулина. Используя новый метод, исследователи смогли продемонстрировать ранее нераспознанные особенности анатомии и патологии поджелудочной железы человека, включая области с чрезвычайно высокой плотностью островков. Их результаты могут иметь значение для всех областей – от доклинических до клинических, например —для улучшения протоколов трансплантации островков людям с диабетом или при разработке неинвазивной клинической визуализации для изучения поджелудочной железы у людей с диабетом. Работа опубликована 10 сентября в журнале Communications Biology.

«Возможность количественного изучения конкретных молекулярных и клеточных характеристик целых человеческих органов с сохранением пространственного трехмерного контекста, — говорится в аннотации, — будет иметь широкое значение для доклинической и клинической медицины. В то время как подходы к оптической трехмерной визуализации пережили огромную революцию, они остались ограниченными из-за нынешней неспособности получить специфическую маркировку в больших объемах ткани. Мы представляем простой подход, позволяющий реконструировать клетки, меченные антителами, во всех органах человека с сохранением контекста органа. Мы демонстрируем полезность этого подхода, предоставляя объемные данные и трехмерное распределение сотен тысяч островков Лангерганса в поджелудочной железе человека. При оценке состояния поджелудочной железы у людей, не страдающих диабетом, и пациентов с диабетом 2 типа, мы демонстрируем ранее нераспознанные особенности массового распределения островков человека и патологии. Таким образом, этот метод может способствовать не только раскрытию новой информации об анатомии или патофизиологии поджелудочной железы, но и может быть применен к практически любому маркеру антител или системе органов».

Исследователи разделили органы с помощью напечатанной на 3D-принтере матрицы, создав части ткани оптимального размера для оптической визуализации с помощью 3D-технологии. Затем эти частички были размечены для визуализации практически любого типа клеток или белка по выбору. Поскольку каждый кусочек ткани органа имеет известные координаты, отдельные 3D-изображения могут быть собраны с помощью компьютера в трехмерный пазл, чтобы сформировать неповрежденный человеческий орган.

[Иллюстрация того, как поджелудочная железа может быть разделена на более мелкие части, которые маркируются в зависимости от их специфических типов клеток с помощью окрашенных островков Лангерганса] Этот метод позволяет создавать трехмерные изображения человеческого органа практически любого размера с высоким разрешением и точностью до микрометра, что меньше частицы пыли. Ранее уже было возможно создавать изображения биологического материала с высоким разрешением с помощью таких технологий, как оптическая проекционная томография и флуоресцентная микроскопия плоскостного освещения, что исследователи использовали и в данном исследовании. Однако проблема заключалась в том, что предыдущие методы не давали возможности маркировать различные типы клеток или белков, которые вы хотите изучить, например, с помощью флуоресцентных антител, когда вы изучаете образцы в больших масштабах, например, целый орган. Именно эту проблему теперь решает новый метод.

В этом отчете предлагается простой подход к реконструкции органов человека, который позволяет выполнять как 3D-рендеринг (визуализация), так и количественную оценку исследуемых типов клеток.

Данный метод может быть выполнен с помощью доступных в настоящее время устройств мезоскопической визуализации и основан на сшивании меченных антителами блоков ткани размером в кубический сантиметр обратно в трехмерное пространство. В качестве объекта исследования, чтобы продемонстрировать полезность этого подхода, мы обратились к поджелудочной железе человека с ее сложной эндокринной/экзокринной организацией. Эндокринные клетки, организованные в островки Лангерганса, составляют лишь часть (≈1–2%) массы поджелудочной железы, но в огромных количествах разбросаны по экзокринной паренхиме, что позволяет оценить их распределение, массу и локальную патологию. Решение таких количественных вопросов позволило бы получить регрессивные указания на эндокринную организацию и связь с функцией β-клеток в органе. В этом доказательстве принципиального исследования была проанализирована ткань поджелудочной железы, охватывающую более 200 000 островков, и предоставлена информация о нормальном и аберрантном составе островков, включая локализацию областей с высокой плотностью островков и островков с внутренним кровотечением.

Контейнер для количественной молекулярной 3D-визуализации человеческих органов. 

 

Схематический план, иллюстрирующий процесс обработки тканей и анализа изображений применительно к поджелудочной железе человека. Путем встраивания фиксированной неповрежденной, отсканированной КТ фиксированной поджелудочной железы (a, b) от больных доноров в агарозу кубоиды ткани размером см3 нарезаются и извлекаются из 3D-печатной матрицы (c). Кубоиды подвергают иммуногистохимии всего тела и сканируют с помощью ближней инфракрасной области-OPT31 (d, e). Полученные данные сканирования обрабатываются с помощью схем слияния изображений-OPT и CLAHE, а сегментированные томографические данные сшиваются обратно в 3D-пространство (f). Таким образом, может быть выполнен статистический и вычислительный анализ изображений распределения массы островка, включая информацию об отдельных 3D-координатах островка, объемах и формах в контексте всей железы (g). Кроме того, особенности АФ ткани могут быть использованы для создания контраста для сосудов и других структур. Поскольку протоколы обработки тканей полностью совместимы, с помощью LSFM-визуализации можно выполнять дополнительные анализы с высоким разрешением. В целом, полученные данные являются доказательством принципа применимости подхода для восстановления количества, объема и распределения маркированных антителами признаков по всему объему органа.