Команда Columbia Engineering разработала технологию, которая может заменить обычные биопсии и гистологию визуализацией в реальном времени в живом организме. Описанный в новой статье, опубликованной сегодня в журнале Nature Biomedical Engineering , MediSCAPE представляет собой высокоскоростной 3D-микроскоп, способный захватывать изображения структур тканей, которые могут помочь хирургам ориентироваться в опухолях и их границах без необходимости удалять ткани и ждать результатов патологии.

Для многих медицинских процедур , особенно хирургии рака и скрининга, врачи обычно берут биопсию, вырезая небольшие кусочки ткани , чтобы иметь возможность рассмотреть их под микроскопом. «Способ обработки образцов биопсии не изменился за 100 лет: их вырезают, фиксируют, заливают, разрезают, окрашивают красителями, помещают на предметное стекло и просматривают патологоанатом с помощью простого микроскопа. Вот почему может пройти несколько дней, прежде чем вы узнаете о своем диагнозе после биопсии», — говорит Элизабет Хиллман, профессор биомедицинской инженерии и радиологии Колумбийского университета и старший автор исследования.

Группа Хиллмана мечтала о смелой альтернативе, задаваясь вопросом, смогут ли они получить изображения ткани, пока она все еще находится внутри тела. «Такая технология может дать врачу обратную связь в режиме реального времени о том, какой тип ткани он рассматривает, без долгого ожидания», — объясняет она. «Этот мгновенный ответ позволит им принимать обоснованные решения о том, как лучше всего вырезать опухоль и убедиться, что ее не осталось».

Еще одним важным преимуществом этого подхода является то, что вырезать ткань просто для того, чтобы выяснить, что это такое, является трудным решением для врачей, особенно для таких ценных тканей, как головной мозг, спинной мозг, нервы, глаза и области лица. Это означает, что врачи могут пропустить важные области заболевания. «Поскольку мы можем визуализировать живую ткань , не вырезая ее, мы надеемся, что MediSCAPE оставит эти решения в прошлом», — говорит Хиллман.

Хотя некоторые микроскопы для хирургического контроля уже доступны, они дают врачам только изображение небольшой одиночной 2D-плоскости, что затрудняет быстрое обследование больших участков ткани и интерпретацию результатов. Эти микроскопы также обычно требуют введения пациенту флуоресцентного красителя , что требует времени и может ограничить их использование для определенных пациентов.

За последнее десятилетие Хиллман, который также является профессором Герберта и Флоренс Ирвинг в Колумбийском институте поведения мозга Цукермана, разрабатывал новые виды микроскопов для исследований в области нейробиологии, которые могут очень быстро получать трехмерные изображения живых образцов, таких как крошечные черви, рыбы и т. мухи, чтобы увидеть, как нейроны в их мозгу и теле активируются, когда они двигаются. Команда решила проверить, может ли их технология, названная SCAPE (от Swept Confocally Aligned Planar Excitation микроскопия), увидеть что-нибудь полезное в тканях других частей тела.

«Одной из первых тканей, на которую мы посмотрели, была свежая почка мыши, и мы были ошеломлены, увидев великолепные структуры, очень похожие на то, что вы получаете при стандартной гистологии», — говорит Крипа Патель, недавний доктор философии. выпускник лаборатории Хиллмана и ведущий автор исследования. «Самое главное, мы не добавляли мышам никаких красителей — все, что мы видели, было естественной флуоресценцией в ткани, которая обычно слишком слаба, чтобы ее можно было увидеть. Наш микроскоп настолько эффективен, что мы могли хорошо видеть эти слабые сигналы, даже если мы также визуализировать целые 3D-объемы на скорости, достаточной для перемещения в режиме реального времени, сканируя различные области ткани, как будто мы держим в руках фонарик».

Пока она «блуждала», Патель могла даже сшивать полученные объемы и превращать данные в большие трехмерные представления ткани, которые патологоанатом мог исследовать, как если бы это была полная коробка гистологических препаратов.

«Это было то, чего я не ожидал — что я действительно мог смотреть на структуры в 3D под разными углами», — говорит соавтор доктор Шана Коли, почечный патолог из Медицинского центра Колумбийского университета, которая тесно сотрудничала в исследовании. «Мы нашли много примеров, когда мы не смогли бы идентифицировать структуру на 2D-срезе на гистологическом слайде, но в 3D мы могли четко видеть ее форму. В частности, в почечной патологии, где мы обычно работаем с очень ограниченным количеством ткани, чем больше информации мы можем получить из образца, тем лучше для оказания более эффективной помощи пациенту».

Команда продемонстрировала возможности MediSCAPE для широкого спектра применений, от анализа рака поджелудочной железы у мышей до интереса Коли к неразрушающей быстрой оценке трансплантированных органов человека, таких как почки. Коули помог команде получить свежие образцы почек человека, чтобы доказать, что MediSCAPE может видеть явные признаки заболевания почек, которые хорошо совпадают с обычными гистологическими изображениями.

Команда также поняла, что, визуализируя живые ткани в организме, они могут получить даже больше информации, чем из безжизненных биопсий. Они обнаружили, что могут визуализировать поток крови через ткани и видеть эффекты ишемии и реперфузии на клеточном уровне (перекрытие кровоснабжения почки и последующее возобновление кровотока).

«Понимание того, остаются ли ткани здоровыми и обеспечивается ли хорошее кровоснабжение во время хирургических процедур, действительно важно», — говорит Хиллман. «Мы также поняли, что если нам не нужно удалять (и убивать) ткани, чтобы посмотреть на них, мы можем найти гораздо больше применений для MediSCAPE, даже для ответа на такие простые вопросы, как «что это за ткань?» или для навигации по драгоценным нервам. Оба эти приложения действительно важны для роботизированных и лапароскопических операций, где хирурги более ограничены в своих возможностях идентифицировать и взаимодействовать с тканями напрямую».

Важным заключительным шагом для команды было уменьшение большого формата стандартных микроскопов SCAPE в лаборатории Хиллмана до чего-то, что поместилось бы в операционной и могло бы использоваться хирургом в человеческом теле. Постдокторский научный сотрудник Вэньсюань Лян работал с командой над разработкой уменьшенной версии системы с лучшим форм-фактором и стерильным колпачком для визуализации. Кандидат наук. Кандидат Малте Каспер помог команде провести первую демонстрацию MediSCAPE на живом человеке, собрав изображения ряда тканей во рту и вокруг него. Эти результаты включали быструю визуализацию, в то время как доброволец буквально облизывал конец датчика визуализации, создавая подробные трехмерные изображения сосочков языка.

Стремясь вывести эту технологию на новый уровень с помощью более масштабных клинических испытаний, команда в настоящее время работает над коммерциализацией и одобрением FDA. Хиллман добавляет: «Мы просто поражены, увидев, что показывает MediSCAPE каждый раз, когда мы используем его на новой ткани, и особенно то, что нам даже не нужно было добавлять красители или красители, чтобы увидеть структуры, которые могут распознать патологоанатомы».

Хиллман и ее команда надеются, что MediSCAPE оставит стандартную гистологию в прошлом, передав в руки хирурга возможности гистологии в реальном времени и принятия решений.