Объединив инфракрасные измерения с оптическими изображениями высокого разрешения и алгоритмами машинного обучения, исследователи создали цифровые биопсии, которые тесно коррелировали с традиционными методами патологии, а также превосходили современные инфракрасные микроскопы.
Под руководством Рохита Бхаргавы, профессора биоинженерии и директора онкологического центра в Иллинойсе, группа опубликовала свои результаты в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Преимущество состоит в том, что не требуется окрашивания, и можно измерить как организацию клеток, так и их химический состав. «Измерение химического состава опухолевых клеток и их микросреды может привести к более точной диагностике рака и лучшему пониманию болезни», – сказал Бхаргава.
Золотым стандартом патологии тканей является добавление красителей или красителей, чтобы патологи могли видеть формы и узоры клеток под микроскопом.
Однако бывает сложно отличить рак от здоровой ткани или точно определить границы опухоли, и во многих случаях диагноз является субъективным.
"Более века мы полагались на добавление красителей в биопсии человеческих тканей для диагностики опухолей. Однако форма и цвет, вызванные красителем, предоставляют очень ограниченную информацию о лежащих в основе молекулярных изменениях, которые вызывают рак ", – сказал Бхаргава.
Такие технологии, как инфракрасная микроскопия, позволяют измерять молекулярный состав тканей, обеспечивая количественные измерения, позволяющие различать типы клеток.
К сожалению, инфракрасные микроскопы дороги, а образцы требуют специальной подготовки и обращения, что делает их непрактичными для подавляющего большинства клинических и исследовательских целей.
Группа Бхаргавы разработала свой гибридный микроскоп, добавив к оптической камере инфракрасный лазер и специальный объектив микроскопа, называемый интерференционным объективом.
Инфракрасно-оптический гибрид измеряет как инфракрасные данные, так и оптическое изображение с высоким разрешением с помощью светового микроскопа, который широко используется в клиниках и лабораториях.
«Мы построили гибридный микроскоп из готовых компонентов. Это важно, потому что это позволяет другим легко построить свой собственный микроскоп или модернизировать существующий микроскоп », – сказал Мартин Шнелл, научный сотрудник группы Бхаргавы и первый автор статьи.
По словам исследователей, сочетание этих двух методов позволяет использовать их сильные стороны.
Он имеет высокое разрешение, большое поле зрения и доступность оптического микроскопа. Кроме того, инфракрасные данные можно анализировать с помощью вычислений без добавления красителей или пятен, которые могут повредить ткани.
Программное обеспечение может воссоздавать различные пятна или даже перекрывать их, чтобы создать более полную цифровую картину того, что находится в ткани.
Исследователи проверили свой микроскоп, визуализировав образцы тканей груди, как здоровых, так и злокачественных, и сравнив результаты вычисленных «красителей» гибридного микроскопа с результатами традиционного метода окрашивания. Цифровая биопсия тесно связана с традиционной.
Кроме того, исследователи обнаружили, что их инфракрасно-оптический гибрид превосходит современные инфракрасные микроскопы по нескольким параметрам: он имеет в 10 раз больший охват, большую стабильность и в четыре раза более высокое разрешение, что позволяет получать инфракрасные изображения более крупных образцов с меньшими затратами. время, с беспрецедентной детализацией.
«Инфракрасно-оптическая гибридная микроскопия широко совместима с традиционной микроскопией в биомедицинских приложениях», – сказал Шнелл. «Мы сочетаем простоту использования и универсальную доступность оптической микроскопии с широкой палитрой инфракрасного молекулярного контраста и машинного обучения. И тем самым мы надеемся изменить то, как мы обычно обрабатываем, представляем и понимаем микроскопическую структуру ткани."
Исследователи планируют продолжить совершенствование вычислительных инструментов, используемых для анализа гибридных изображений. Они работают над оптимизацией программ машинного обучения, которые могут измерять несколько длин волн инфракрасного излучения, создавая изображения, которые легко различают несколько типов клеток, и интегрируют эти данные с подробными оптическими изображениями для точного картирования рака в образце.
Они также планируют изучить дальнейшие приложения для получения изображений с помощью гибридных микроскопов, такие как судебная экспертиза, наука о полимерах и другие биомедицинские приложения.
«Очень интересно, что эта дополнительная деталь может предложить с точки зрения диагноза патологии», – сказал Бхаргава. «Это может помочь ускорить ожидание результатов, снизить затраты на реагенты и людей для окрашивания тканей, а также предоставить« полностью цифровое »решение для онкологической патологии."
Национальные институты здравоохранения поддержали эту работу. Бхаргава связан с Институтом передовых наук и технологий Бекмана и Медицинским колледжем Карла Иллинойса.