Przełom w dziedzinie szybkiego obrazowania tomograficznego przenosi tradycyjne badania mikroskopowe na wyższy poziom
Obrazowanie 3D stało się niezbędnym narzędziem, szczególnie w przypadku badań, gdzie korzystne jest dynamiczne obrazowanie procesów biologicznych in vivo. W odpowiedzi na to zapotrzebowanie laboratoria biologiczne i przedkliniczne korzystały z innowacyjnych rozwiązań w dziedzinie tomografii, takich jak tomografia fluorescencyjna metodą cząsteczkową (FMT, Fluorescence Molecular Tomography) do obrazowania w czynnikach o dużym rozproszeniu i projekcyjna tomografia optyczna (OPT, Optical Projection Tomography) oraz jednopłaszczyznowa mikroskopia świetlna (SPIM, Selective Plane Illumination Microscopy) do obrazowania w próbkach o niskim rozproszeniu. Jednak mimo skuteczności, narzędzia te mają niską przepustowość i nie umożliwiają jednoczesnego przetwarzania próbek. Grant Marie Curie Career Integration (CIG) finansowany ze środków UE wspierał projekt HIGH THROUGHPUT TOMO w celu rozwiązania tego problemu przez umożliwienie opracowania zestawu narzędzi o dużej szybkości obrazowania optycznego i analizowania danych. Oprócz zapewnienia szeregu rozwiązań, pod nadzorem prof. Manuela Desco realizowany na Uniwersytecie Karola III w Madrycie skupono się na opracowaniu szybkiego rozwiązania do tomografii mikroskopowej. Uzyskiwanie obrazu 3D procesów życiowych w czasie rzeczywistym Tradycyjne obrazowanie przy użyciu arkusza światła oparte na skanowaniu z zastosowaniem silników do przesuwania próbek jest niezwykle czasochłonne. Na przykład przetwarzanie 200 obrazów może trwać 200 sekund. Podsumowując najważniejsze osiągnięcie projektu HIGH THROUGHPUT TOMO, pracownik naukowy grantu Marie Curie CIG, dr Jorge Ripoll mówi: „Zoptymalizowaliśmy system sprzętu i oprogramowanie w celu ograniczenia konieczności ruchu przy użyciu silników, zamiast tego stosując skanowanie przy użyciu wiązki świetlnej oraz regulowane soczewki o krótkim czasie reakcji rzędu 10 ms. Umożliwiło to 100-krotne skrócenie czasu każdego przebiegu skanowania, dzięki czemu te same 200 obrazów można uzyskać w ciągu 2 zamiast 200 sekund”. Obecnie niemal wszystkie pomiary z wykorzystaniem obrazowania in-vivo przy użyciu organizmów modelowych, takich jak danio pręgowany lub muszka owocowa, są wykonywane przez obrazowanie pojedynczych próbek. Jest to związane z poważnymi ograniczeniami. Jak wyjaśnia dr Ripoll: „W celu uzyskania wyników potwierdzonych naukowo musieliśmy powtórzyć te badania na dużych populacjach gatunków, mnożąc czas potrzebny do zobrazowania pojedynczej próbki przez liczbę wymaganych pomiarów. Jest to wyjątkowo czasochłonne oraz wymaga utrzymywania niezmiennych warunków, co jest problematyczne i skutkuje często odrzuceniem pomiarów”. Przełomowe osiągnięcie zespołu oraz pewne kluczowe zmiany geometrii układu optycznego obrazowania oznaczają, że naukowcy mogą teraz uzyskiwać obrazy kilku próbek jednocześnie. Dr Ripoll wskazuje pomyślne zobrazowanie in vivo rozwoju 13 muszek owocowych jednocześnie jako dowód potwierdzający skuteczność koncepcji. „Możliwość analizowania danych i obserwowania obrazu 3D rozwoju złożonych organizmów jest bardzo ekscytująca – pozwala przenieść tradycyjne badania mikroskopowe na znacznie wyższy poziom” – opowiada z entuzjazmem dr Ripoll. Co istotne, czas trwania można dodatkowo skrócić w przypadku mniejszych wolumenów, co umożliwia zobrazowanie 10 pełnych wolumenów w ciągu jednej sekundy. W praktyce przekłada się to na możliwość obrazowania 3D w zwolnionym tempie szybko zachodzących procesów, takich jak bicie serca danio pręgowanego, które były wcześniej niemożliwe do zobrazowania w normalnych warunkach. Od obserwacji do manipulacji korzystnych dla zdrowia Możliwość szybkiego i wydajnego obrazowania 3D dużych próbek, takich jak całe organy, może mieć obiecujący wpływ na badania dotyczące zdrowia. Zdaniem dra Ripolla „te nowe podejścia umożliwiają badanie ekspresji genów i funkcji molekularnej na poziomie komórkowym podczas obserwacji organu jako całości, zamiast obrazowania sekcji, co pozwala uzyskać informacje uzupełniające, co nie było wcześniej możliwe”. Ta technologia umożliwia również śledzenie w 3D losu pojedynczych komórek, zapewniając nowe metody pozwalające zrozumieć podstawową biologię molekularną, co może mieć bezpośredni wpływ na zdrowie człowieka. Aby zapewnić dostępność tej technologii, dr Ripoll został współzałożycielem firmy www.4dnature.eu (4D-Nature Imaging Consulting) korzystającej z patentów uzyskanych w ramach projektu. Kolejnym krokiem zespołu jest wykroczenie poza pasywną obserwację trójwymiarowej próbki w celu rzeczywistego wpływu na procesy zachodzące na poziomie komórkowym. Będzie to mieć konsekwencje poza badaniami in vivo na organizmach modelowych po bardziej ogólne, szybkie procesy obrazowane w 3D, które będzie można kontrolować z rozdzielczością voxel poniżej mikrona.
Słowa kluczowe
HIGH THROUGHPUT TOMO, obrazowanie 3D, badania mikroskopowe, skanowanie przy użyciu wiązki światła, soczewki regulowane, in-vivo, kontrola komórkowa, ekspresja genów