MIT ve Harvard, yüksek çözünürlüklü mikroskopi teknolojisinin ilerlemesini desteklemek için işbirliği yapıyor ve doktorlar, canlı doku örneklerinden daha fazla bilgi alabilecekler.
100 yıldan fazla bir süredir, geleneksel optik mikroskop patolojinin incelenmesi için önemli bir araç olmuştur, ancak hücre gözlemleme görevi için yeterli nitelikte değildir. Yakın zamanda, Massachusetts Institute of Technology'nin Edward Boyden laboratuvarında, doku örneklerinin görüntüsünü 100 kata kadar büyütebilen "genişletilmiş mikroskopi" adı verilen yeni bir görüntüleme tekniği doğdu.
Böylesine yüksek bir çözünürlükle hücre dokusunun birçok özelliği ve detayı bir bakışta görülebilecek ve bilim adamları bundan faydalanacaktır. Sadece pahalı bir yüksek çözünürlüklü elektron mikroskobu ile görülebilen ve hatta bir elektron mikroskobu ile gözlemlenemeyen bazı moleküler bilgiler artık daha iyi gözlemlenebilir.
MIT Biyoloji Mühendisliği Bölümü ve Beyin ve Bilişsel Bilimler Bölümü'nde doçent olan Boyden, şunları söyledi: "Bu teknolojinin çok geniş uygulama olanakları olabilir." Doçent Boyden aynı zamanda MIT Media Lab üyesi, McGovern Beyin Araştırmaları Enstitüsü üyesi ve Howard Hughes Tıp Enstitüsü'nde HHMI-Simons Fakülte Bursiyeridir.
Şekil Edward Boyden
17 Temmuz'da Nature Biotechnology'de yayınlanan bir makalede Boyden ve meslektaşları, erken bir meme lezyonunda kanser riskini belirlemek için bu teknolojiyi nasıl kullandıklarını ayrıntılı olarak ele aldılar. Bu teknik, böbrek dokusunun analizine de uygulanabilir.Araştırmacılar, büyütülmüş numunelerde bazı böbrek hastalığı belirtileri gözlemlediklerini ve bu işaretlerin genellikle bir elektron mikroskobu ile görülmesi gerektiğini söylüyorlar.
Şekil "Doğa Biyoteknolojisi" nin kapağı
Bu makalenin baş yazarlarından biri olan Octavian Bucur, "Daha önce ışık mikroskobu ile teşhis edilemeyen hastalıkları teşhis etmek için genişletilmiş mikroskopi kullanabiliriz." Bucur ayrıca Harvard Tıp Fakültesi, Beth Israel Deaconess Tıp Merkezi (BIDMC) ve Harvard'daki Harvard Ludwig Merkezi'nde öğretim görevlisidir.
Şekil Octavian Bucur
Boyden'in genişletilmiş mikroskopi tekniğinin temel ilkeleri şunlardır: Doku örneğini, yoğun ve suyla şişen, homojen olarak oluşturulmuş bir polimere gömün. Şişirmek için su eklemeden önce, araştırmacılar, görüntülenecek molekülleri polimer jele tutturdu ve ardından dokunun çeşitli kısımlarını birbirine bağlamak için kullanılan proteinleri çıkardı. . Bu sayede ancak pahalı bir özel mikroskopla elde edilebilen 70 mikron çözünürlüklü görüntü, doku genişletme teknolojisi ve optik mikroskop ile araştırmacı tarafından elde edilebilmektedir.
Şekil Polimeri genişletmek için su ekleyin
Son çalışmada, araştırmacılar bu genişletilmiş tekniği biyopsi alanına genişletti. Hücre yapısını daha iyi gözlemlemek için, biyopsi numunesinin işleme yöntemi genellikle (numunenin) parafin, hızlı dondurma veya kimyasal boyama içine gömülmesini içerir.
MIT ve Harvard Üniversitesi araştırma ekibi yeni bir yöntem icat etti: önce örneği genişlemeye uygun bir duruma dönüştürmek ve sonra genişletmek. Örneğin, doku numunesini önce numunedeki kimyasal lekeyi ve parafini çıkarabilen bir ksilen kimyasal çözücüsüne koyarlar. Daha sonra numune ve sitratı karıştırıp karışımı ısıttılar. Son olarak, numuneyi genişletmek için yukarıda bahsedilene benzer bir yöntem kullandılar, aradaki fark, işlenen numunenin güçlü bir kimyasal fiksasyon durumunda olması nedeniyle, sindirimini (protein) güçlendirmeleri gerektiğidir.
Süreç boyunca, araştırmacılar, belirli hücre tiplerini temsil eden proteinler ve belirli dizilere sahip DNA veya RNA dahil olmak üzere araştırma değeri olan moleküllere floresan etiketler ekleyecekler. Yale Üniversitesi Tıp Fakültesi Patoloji Bölümünden Profesör David Rimm, "Araştırmacılar tarafından optik mikroskobun çözünürlüğünü genişletmek için açıklanan yöntem çok akıllıca ve geleneksel yöntem daha fazla ayrıntıyı gözlemlemek için kullanılabilir."
Araştırmacılar bu yöntemi erken meme lezyonlarından alınan doku örnekleri üzerinde test ettiler. İyi huylu bir lezyon örneğinin kanserli olup olmadığını belirlemenin bir yolu, çekirdeğin görünümünü gözlemlemek ve analiz etmektir. Atipik çekirdeklerin kanserli oranı, tipik çekirdeklerin 5 katıdır.
Şekil Meme kanseri hücreleri
Ancak çalışmalar, farklı patologların heteromorfik çekirdeklerin değerlendirilmesinde çok büyük farklar verebileceğini ve bunun da yanlış tanı ve tedaviye ve gereksiz cerrahiye yol açabileceğini göstermiştir. Araştırmacılar, tipik ve atipik çekirdekleri hedef alan iyi huylu hastalıklı dokular için daha doğru bir değerlendirme sistemi kullanmanın, Amerika Birleşik Devletleri'nde her yıl 400.000'e kadar yanlış tanıyı düzeltebileceğini ve milyonlarca doları azaltabileceğini söylüyor.
Doku örneğini genişlettikten sonra, araştırma ekibi örneği daha fazla analiz etmek ve değerlendirmek için makine öğrenimi algoritmalarını kullandı. Algoritma, düzenleme yönü, çap ve yuvarlaklık (ofset) dahil olmak üzere birçok hücre çekirdeği özelliğini kapsar. Hastalıklı dokuların kanserli dejenerasyonunu değerlendirmek için bu algoritma seti genişletilmiş örneklerde kullanılırsa,% 93'lük bir doğruluk elde edilebilirken, genişletmeden önce örneklerde kullanılırsa, doğruluk yalnızca% 71'dir.
Araştırmacılar ayrıca nefrotik sendromlu hastalardan alınan böbrek dokusu örneklerini de analiz ettiler. Bu hastaların böbrekleri normal olarak kanı filtrelemekte güçlük çekerler ve böbreklerde kanı süzen minik parmak benzeri çıkıntılar arasındaki boşluklar sadece 200 mikron olduğundan, ancak bir elektron mikroskobu veya pahalı bir süper çözünürlüklü mikroskopla gözlemlenebilirler.
Şekil Böbreğin şematik diyagramı
Araştırmacılar genişletilmiş doku örnek görüntülerini bir grup bilim insanına (patologlar ve patolog olmayanlar dahil) gösterdiklerinde, hastalıklı dokuyu% 90 oranında ayırt edebildiler. Bununla birlikte, doku örneklerini genişletmeden önce görüntülerken, doğruluk oranı% 65'e düştü.
Boyden şöyle dedi: "Artık nefrotik sendromun analizi ve teşhisi, pahalı elektron mikroskopları yerine yalnızca bazı kimyasal çözücüler ve optik mikroskoplar gerektiriyor."
Araştırmacılar, bilim adamlarının bu yönteme dayanarak diğer hastalıklar için daha doğru teşhis yöntemleri geliştirebileceğini öngörüyor. Bu, bilim adamlarının ve doktorların, gizli kalıpları ve kalıpları keşfetmek için daha fazla hasta (vaka) örneğini analiz etmek için birlikte çalışmasını gerektirir.
Boyden şöyle dedi: "Diğer koşulların aynı kalmasını sağlayın. Doku hacmini 100 kat büyütebilirsek, o zaman bilginin 100 katını alırız."
Şekil Büyütülmüş görüntü
Örneğin, araştırmacılar kanser hücrelerini (türlerini) hücrelerdeki belirli genlerin sayısından ayırt edebilir. HER2 gibi ek bir gen, bir meme kanseri alt türünü gösterebilir, böylece doktorlar belirli tedaviler uygulayabilir.
Bilim adamları ayrıca genomun yapısını veya kanserleşme sırasında hücrelerin şeklinin nasıl değiştiğini ve kanser hücrelerinin vücuttaki diğer hücrelerle nasıl etkileşime girdiğini gözlemleyebilirler. Diğer bir olası kullanım, kanser hücrelerinin yüzeyindeki proteinleri tanımlamak ve ardından kanser hücrelerini tanımlamak ve yok etmek için insan bağışıklık sistemi için bir immünoterapi tasarlamaktır.
Boyden ve meslektaşları, bu genişletilmiş mikroskopi yöntemlerini izleyicilere göstermek ve açıklamak için her ay MIT'de birkaç eğitim kursu düzenlemekte ve ayrıca web sitesinde deneysel raporlar yayınlamaktadır. Daha fazla insanın öğrenebileceğini ve sonunda bu yöntemi diğer hastalıkları incelemek için kullanabileceğini umuyorlar.
Şekil MIT Media Lab resmi web sitesi
Boyden, "Kanserin biyopsisi sadece bir başlangıç. Klinik örnekler almak ve bunları genişletmek için yeni bir boru hattı sistemimiz var ve bu yöntemi diğer birçok hastalıkta da deniyoruz. Genişletilmiş mikroskopi yöntemi, Hesaplamalı patoloji, aynı örnekten daha fazla bilgi alır. "
Araştırmanın yazarlarından biri olan Harvard Üniversitesi ve BIDMC araştırmacısı Humayun Irshad da şunları söyledi: "Genişletilmiş görüntü daha fazla bilgi ve özellik içerir ve sonuç olarak insanlar daha yüksek performans sınıflandırma modeline sahip olabilir."
