Innowacyjne obrazowanie pokazuje, jak starzenie się i choroby wpływają na kości
Osteoporoza(odnośnik otworzy się w nowym oknie) to stan, w którym kości stają się słabsze i bardziej kruche, ponieważ pogarsza się ich wewnętrzna struktura, a to powoduje zwiększone ryzyko złamań, nawet w wyniku drobnych upadków lub rutynowych ruchów. „Chociaż osteoporoza jest często związana ze starzeniem się i zmianami hormonalnymi, może być również spowodowana przewlekłym stanem zapalnym, który zakłóca równowagę między tworzeniem kości a ich resorpcją, co prowadzi do przyspieszonej utraty kości” — mówi Georg Schett, koordynator projektu 4-D nanoSCOPE(odnośnik otworzy się w nowym oknie), sfinansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Ta forma osteoporozy wywołana stanem zapalnym jest szczególnie istotna dla pacjentów z przewlekłym stanem zapalnym lub chorobami autoimmunologicznymi(odnośnik otworzy się w nowym oknie), ale często jest niedostatecznie diagnozowana, którą to sytuację ma naprawić projekt 4-D nanoSCOPE. Zespół projektu starał się uzupełnić bazę wiedzy na temat tego, w jaki sposób stan zapalny wpływa na strukturę kości w różnych skalach przestrzennych i w czasie oraz w jaki sposób te zmiany strukturalne przekładają się na zmniejszoną wytrzymałość kości. Osiągnął to dzięki opracowaniu nowej generacji narzędzi do obrazowania i analizy. „Oprócz charakteryzowania i analizowania struktury kości w różnych skalach, nasze podejście potrafi korelować cechy strukturalne z procesami biologicznymi i właściwościami mechanicznymi, aby uzyskać informacje na temat wytrzymałości kości oraz wpływu chorób i leczenia” — zauważa Schett ze Szpitala Uniwersyteckiego w Erlangen(odnośnik otworzy się w nowym oknie), gospodarza projektu.
Rozwijanie pracowni zintegrowanego obrazowania
Przed projektem 4-D nanoSCOPE dotychczasowe metody obrazowania kości miały zbyt ograniczoną rozdzielczość, były ograniczone do określonych skal lub nie były w stanie uchwycić dynamicznych zmian w czasie. W związku z tym nie było możliwe obserwowanie modelowania kości w 4D, czyli w trzech wymiarach przestrzennych i czasie, zwłaszcza w realistycznych warunkach biologicznych. Zespół projektu 4-D nanoSCOPE opracował rozwiązanie łączące zaawansowaną nanoskopię rentgenowską(odnośnik otworzy się w nowym oknie), komplementarne metody obrazowania i analizę danych opartą na sztucznej inteligencji, połączone w jeden zintegrowany przepływ pracy. Po wygenerowaniu próbek kości są one obrazowane w 3D za pomocą mikroskopii rentgenowskiej, a następnie analizowane ilościowo za pomocą narzędzi AI. Pozwala to zidentyfikować mikrostruktury, określając ilościowo ich właściwości, aby móc śledzić zmiany w czasie. W odróżnieniu od konwencjonalnych podejść wymagających dużych obiektów, system ten działa w standardowych środowiskach laboratoryjnych, co otwiera dostęp do obrazowania w wysokiej rozdzielczości. Dodatkowe innowacje techniczne obejmowały: szybki, bardzo czuły detektor umożliwiający szybką akwizycję obrazu przy jednoczesnym zmniejszeniu ekspozycji na promieniowanie oraz uchwyt próbki i protokoły obrazowania zapewniające spójne pozycjonowanie i obrazowanie próbek.
Wspieranie priorytetów UE w zakresie zdrowia i innowacji cyfrowych
W ramach projektu przeprowadzono szereg badań eksperymentalnych i analiz obliczeniowych. „Nasze wyniki pokazują, że kość może być teraz badana w bardziej niż dotychczas zintegrowany, ilościowy sposób z rozdzielczością czasową. Co ważne, byliśmy w stanie porównać różne przyczyny utraty kości, w tym stany zapalne, starzenie się i zmiany hormonalne” — wyjaśnia Schett. Ulepszając diagnostykę, projekt 4-D nanoSCOPE wskazuje na przyszłość bardziej ukierunkowanych strategii profilaktycznych i terapeutycznych, co może poprawić jakość życia osób dotkniętych chorobą i wspierać bardziej zrównoważone systemy opieki zdrowotnej. Kolejne kroki zespołu koncentrują się na dalszym rozwijaniu i stosowaniu technologii i metod projektu. „Naszym celem jest zbliżenie się do zastosowań klinicznych, na przykład poprzez włączenie naszych podejść do badań, które wspierają diagnozę, monitorowanie leczenia i rozwój terapii” — dodaje Schett. Jednocześnie przepływy pracy i zbiory danych projektu zostaną udostępnione społeczności naukowej, aby umożliwić dalsze badania i szersze zastosowania, co otworzy nowe możliwości współpracy interdyscyplinarnej w dziedzinach takich jak badania układu mięśniowo-szkieletowego, materiałoznawstwo i inżynieria biomedyczna.
