Kính hiển vi 3D tốc độ cao mới có thể biến sinh thiết thành dĩ vãng

MediSCAPE, kính hiển vi 3D tốc độ cao được thiết kế bởi Kỹ sư Columbia, có thể nhìn thấy chi tiết tế bào trong thời gian thực trong các mô sống để hướng dẫn phẫu thuật, tăng tốc độ phân tích mô và cải thiện phương pháp điều trị.

Một nhóm Kỹ sư Columbia đã phát triển một công nghệ có thể thay thế sinh thiết và mô học thông thường bằng hình ảnh thời gian thực bên trong cơ thể sống. Được mô tả trong một bài báo mới được xuất bản ngày hôm nay (28 tháng 3 năm 2022) trên tạp chí Nature Biomedical Engineering , MediSCAPE là một kính hiển vi 3D tốc độ cao có khả năng ghi lại hình ảnh của cấu trúc mô có thể hướng dẫn bác sĩ phẫu thuật định hướng các khối u và ranh giới của chúng mà không cần cắt bỏ mô và chờ đợi. để biết kết quả giải phẫu bệnh.

Đối với nhiều thủ thuật y tế, đặc biệt là phẫu thuật và tầm soát ung thư, thông thường các bác sĩ sẽ tiến hành sinh thiết, cắt các mảnh mô nhỏ để có thể quan sát kỹ hơn bằng kính hiển vi. “Cách thức xử lý các mẫu sinh thiết đã không thay đổi trong 100 năm, chúng được cắt ra, cố định, nhúng, cắt lát, nhuộm bằng thuốc nhuộm, định vị trên lam kính và được một nhà nghiên cứu bệnh học xem bằng kính hiển vi đơn giản. Đây là lý do tại sao có thể mất nhiều ngày để nghe tin tức về chẩn đoán của bạn sau khi sinh thiết, ”Elizabeth Hillman, giáo sư kỹ thuật y sinh và X quang tại Đại học Columbia và là tác giả cao cấp của nghiên cứu cho biết.

Nhóm của Hillman đã mơ về một giải pháp thay thế táo bạo, họ tự hỏi liệu họ có thể chụp được hình ảnh của mô khi nó vẫn còn trong cơ thể hay không. Cô giải thích: “Một công nghệ như vậy có thể cung cấp cho bác sĩ phản hồi theo thời gian thực về loại mô mà họ đang xem xét mà không phải chờ đợi lâu. “Câu trả lời tức thì này sẽ cho phép họ đưa ra quyết định sáng suốt về cách tốt nhất để cắt bỏ khối u và đảm bảo không có khối u nào bị bỏ lại.”

Một lợi ích lớn khác của phương pháp này là việc cắt mô ra, chỉ để tìm ra nó là gì, là một quyết định khó khăn đối với các bác sĩ, đặc biệt là đối với các mô quý như não, tủy sống, dây thần kinh, mắt và các vùng trên khuôn mặt. Điều này có nghĩa là bác sĩ có thể bỏ sót những vùng bệnh quan trọng. Hillman nói: “Bởi vì chúng tôi có thể hình ảnh mô sống mà không cần cắt bỏ nó, chúng tôi hy vọng rằng MediSCAPE sẽ đưa những quyết định đó trở thành dĩ vãng”.

Mặc dù một số kính hiển vi để hướng dẫn phẫu thuật đã có sẵn, chúng chỉ cung cấp cho bác sĩ hình ảnh của một mặt phẳng 2D nhỏ, đơn lẻ, gây khó khăn cho việc khảo sát nhanh các vùng mô lớn hơn và giải thích kết quả. Các kính hiển vi này thường yêu cầu tiêm chất nhuộm huỳnh quang vào bệnh nhân, điều này cần thời gian và có thể hạn chế việc sử dụng chúng cho một số bệnh nhân nhất định.

Trong thập kỷ qua, Hillman, đồng thời là Giáo sư Herbert và Florence Irving tại Viện Hành vi Trí não Zuckerman của Columbia, đã phát triển các loại kính hiển vi mới cho nghiên cứu khoa học thần kinh có thể chụp ảnh 3D rất nhanh của các mẫu sống như giun nhỏ, cá và bay để xem các tế bào thần kinh trong não và cơ thể của chúng hoạt động như thế nào khi chúng di chuyển. Nhóm đã quyết định kiểm tra xem liệu công nghệ của họ có tên là SCAPE (đối với kính hiển vi kích thích bằng phẳng được căn chỉnh theo hướng Swept Confocally Aligned) có thể nhìn thấy bất cứ thứ gì hữu ích trong các mô từ các bộ phận khác của cơ thể hay không.

Kripa Patel, một tiến sĩ gần đây tốt nghiệp từ phòng thí nghiệm Hillman và là tác giả chính cho biết: “Một trong những mô đầu tiên chúng tôi xem xét là thận chuột tươi, và chúng tôi đã vô cùng sửng sốt khi thấy những cấu trúc tuyệt đẹp trông rất giống những gì bạn nhận được với mô học tiêu chuẩn. của nghiên cứu. “Quan trọng nhất, chúng tôi không thêm bất kỳ loại thuốc nhuộm nào vào chuột – tất cả những gì chúng tôi thấy là huỳnh quang tự nhiên trong mô thường quá yếu để nhìn thấy. Kính hiển vi của chúng tôi hiệu quả đến mức chúng tôi có thể nhìn thấy rõ những tín hiệu yếu này, mặc dù chúng tôi cũng đang chụp ảnh toàn bộ khối lượng 3D ở tốc độ đủ nhanh để di chuyển xung quanh trong thời gian thực, quét các khu vực khác nhau của mô như thể chúng tôi đang cầm một chiếc đèn pin. “

Khi cô ấy “đi vòng quanh”, Patel thậm chí có thể ghép các khối lượng thu được lại với nhau và biến dữ liệu thành các bản trình bày 3D lớn của mô mà bác sĩ bệnh học có thể kiểm tra như thể đó là một hộp đầy đủ các slide mô học.

“Đây là điều tôi không ngờ tới – rằng tôi thực sự có thể nhìn các cấu trúc ở dạng 3D từ các góc độ khác nhau,” cộng tác viên Tiến sĩ Shana Coley, một nhà nghiên cứu bệnh lý thận tại Trung tâm Y tế Đại học Columbia, người đã hợp tác chặt chẽ trong nghiên cứu. “Chúng tôi đã tìm thấy nhiều ví dụ mà chúng tôi không thể xác định cấu trúc từ mặt cắt 2D trên slide mô học, nhưng trong 3D, chúng tôi có thể nhìn thấy rõ ràng hình dạng của nó. Đặc biệt, trong bệnh lý thận, nơi chúng tôi thường xuyên làm việc với số lượng mô rất hạn chế, chúng tôi càng có nhiều thông tin từ mẫu thì càng tốt cho việc chăm sóc bệnh nhân hiệu quả hơn. ”

Nhóm nghiên cứu đã chứng minh sức mạnh của MediSCAPE cho một loạt các ứng dụng, từ phân tích ung thư tuyến tụy ở chuột, cho đến sự quan tâm của Coley trong việc đánh giá nhanh chóng và không phá hủy các cơ quan cấy ghép của con người như thận. Coley đã giúp nhóm nghiên cứu lấy các mẫu mới từ thận người để chứng minh rằng MediSCAPE có thể nhìn thấy các dấu hiệu bệnh thận phù hợp với hình ảnh mô học thông thường.

Nhóm nghiên cứu cũng nhận ra rằng bằng cách chụp ảnh các mô khi chúng còn sống trong cơ thể, họ có thể nhận được nhiều thông tin hơn là từ các mẫu sinh thiết không có sự sống. Họ phát hiện ra rằng họ thực sự có thể hình dung dòng chảy của máu qua các mô, và thấy các tác động ở cấp độ tế bào của thiếu máu cục bộ và tái tưới máu (cắt nguồn cung cấp máu cho thận và sau đó để nó chảy trở lại).

Hillman nói: “Hiểu được liệu các mô có khỏe mạnh hay không và được cung cấp máu tốt trong quá trình phẫu thuật là điều thực sự quan trọng. “Chúng tôi cũng nhận ra rằng nếu không phải loại bỏ (và giết) các mô để xem xét chúng, chúng tôi có thể tìm thấy nhiều công dụng khác của MediSCAPE, thậm chí có thể trả lời những câu hỏi đơn giản như ‘đây là mô gì?’ hoặc để điều hướng xung quanh các dây thần kinh quý giá. Cả hai ứng dụng này đều thực sự quan trọng đối với các ca phẫu thuật bằng robot và phẫu thuật nội soi, nơi các bác sĩ phẫu thuật bị hạn chế hơn về khả năng xác định và tương tác trực tiếp với các mô ”.

Bước cuối cùng quan trọng đối với nhóm là giảm định dạng lớn của kính hiển vi SCAPE tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm của Hillman thành một thứ có thể phù hợp với phòng phẫu thuật và có thể được sử dụng bởi bác sĩ phẫu thuật trong cơ thể người. Đồng nghiệp sau tiến sĩ Wenxuan Liang đã làm việc với nhóm để phát triển một phiên bản nhỏ hơn của hệ thống với hệ số hình thức tốt hơn và nắp chụp ảnh vô trùng. Ứng viên tiến sĩ Malte Casper đã giúp có được bản trình diễn đầu tiên của nhóm về MediSCAPE ở người sống, thu thập hình ảnh của một loạt các mô trong và xung quanh miệng. Những kết quả này bao gồm hình ảnh nhanh chóng trong khi một tình nguyện viên liếm phần cuối của đầu dò hình ảnh theo đúng nghĩa đen, tạo ra hình ảnh 3D chi tiết về các nhú của lưỡi.

Mong muốn đưa công nghệ này lên một tầm cao mới với một thử nghiệm lâm sàng lớn hơn, nhóm nghiên cứu hiện đang làm việc để thương mại hóa và được FDA chấp thuận. Hillman cho biết thêm, “Chúng tôi thực sự ngạc nhiên khi thấy những gì MediSCAPE tiết lộ mỗi khi chúng tôi sử dụng nó trên một mô mới, và đặc biệt là chúng tôi thậm chí không cần thêm thuốc nhuộm hoặc vết bẩn để xem các cấu trúc mà các nhà nghiên cứu bệnh học có thể nhận ra.”

Hillman và nhóm của cô hy vọng rằng MediSCAPE sẽ biến mô học tiêu chuẩn trở thành dĩ vãng, đưa sức mạnh của mô học thời gian thực và việc ra quyết định vào tay bác sĩ phẫu thuật.

Tham khảo: “Kính hiển vi tấm ánh sáng tốc độ cao để thu thập tại chỗ các hình ảnh mô học thể tích của mô sống” 28 tháng 3 năm 2022, Nature Biomedical Engineering .
DOI: 10.1038 / s41551-022-00849-7

Theo Scitechdaily