显微镜技术可以使更多的活检

麻省理工学院和哈佛医学院的研究人员发明了一种方法更高分辨率的图像切片样品,预付款可以帮助医生制定更准确的和廉价的诊断测试。

100多年来,传统的光学显微镜病理学的重要工具。然而,精细的细胞不能看到这些范围的细节。这项新技术依靠一种方法称为显微镜扩张,开发最初在爱德华Boyden麻省理工学院的实验室的研究人员组织样本扩大到原来的体积在成像之前100倍。

这个扩展允许研究人员看到特性与传统的光学显微镜通常可以看到只有一个昂贵的,高分辨率的电子显微镜。它也揭示了电子显微镜无法提供额外的分子信息。

“这是一个技术,可以有非常广阔的应用,“Boyden说,生物工程副教授,麻省理工学院大脑与认知科学系。他也是一名麻省理工学院的媒体实验室、和麦戈文脑研究所和一个HHMI-Simons教师学者。

在一篇出现在7月17日出版的《自然生物科技,Boyden和他的同事们使用这种技术来区分早期乳腺癌病变进展风险高或低癌症对人类观察者-一个具有挑战性的任务。这种方法也可以应用于其他疾病:在肾组织的分析,研究人员发现,扩大样本的图像显示肾脏疾病的迹象,通常只被用电子显微镜所看到的。

“使用扩张显微镜,我们能够诊断疾病,以前不可能与传统的光学显微镜诊断,“屋大维Bucur说,哈佛医学院讲师,贝斯以色列女执事医疗中心(BIDMC)和哈佛大学路德维格中心,论文的主要作者之一。

麻省理工学院博士后释永信赵是论文的联合作者。Boyden和安德鲁·贝克,前哈佛医学院副教授和BIDMC,是文章的资深作者。

“一些化学品和光学显微镜”

Boyden最初的扩张显微镜技术是基于嵌入组织样本致密,均匀生成聚合物膨胀当水是补充道。肿胀发生之前,研究者锚的聚合物凝胶分子,他们想要的形象,和他们一起消化其他蛋白质,正常组织。

这个组织扩大允许研究人员获得图像的分辨率大约70纳米,这是以前只能通过非常专业和昂贵的显微镜。

在新的研究中,研究人员开始适应活检组织样本的扩张过程,这通常是嵌入在石蜡,flash冻结,或者沾染了这种化学物质使细胞结构更清晰可见。

麻省理工学院/哈佛团队设计了一个流程将这些样本转化为适合扩张状态。例如,他们把暴露的组织化学染色或石蜡的化学溶剂二甲苯。然后,他们在另一个叫柠檬酸的化学物质加热样品。之后,组织通过一个扩张的过程类似于原始版本的技术,但在强大的消化步骤来弥补强烈的化学固定样本。

在这个过程中,研究人员还可以添加感兴趣的分子荧光标签,包括蛋白质标记特定类型的细胞,或与特定序列DNA或RNA。

”赵等人的作品描述了一个非常聪明的方式扩大光学显微镜的分辨率解决细节之外,与传统的方法,”大卫·Rimm说一个耶鲁大学医学院的病理学教授,他并没有参与这项研究。

研究人员测试了这种方法从早期乳腺癌患者病变组织样本。一种方法来预测这些病变是否会成为恶性评估细胞的细胞核的外观。良性病变与非典型细胞核高出了5倍发展到癌症的概率比那些典型的细胞核。

然而,研究显示显著差异核异型性的评估由不同的病理学家,这可能会导致不准确的诊断和不必要的手术。改进系统区分良性病变与非典型和典型核可能防止400000误诊和每年数亿美元在美国,据研究人员。

扩大组织样本后,麻省理工学院/哈佛大学的团队分析了它们与机器学习算法,可以根据许多细胞核率特性,包括定位、直径,多少他们偏离真正的循环。该算法能够区分病变可能成为入侵和那些没有,在扩大样本的准确性达93%,相比之下只有71%的pre-expanded组织。

”这两种病变肉眼看上去非常相似,但有更少的癌症的风险,”赵说。

研究人员还分析了肾病综合症患者的肾脏组织样本,损害肾脏过滤血液的能力。在这些患者中,微小卫星传回的预测过滤血液的丢失或损坏。这些结构间距为约200纳米,因此通常可以看到只有在电子显微镜或昂贵的超分辨率显微镜。

当研究人员显示图像的组织样本扩大到包括病理学家和nonpathologists一群科学家,该组织能够识别病变组织整体准确率达到了90%,而只有65%的准确率未展开的组织样本。

“现在你可以诊断肾病肾病不需要电子显微镜,一个非常昂贵的机器,”鲍登说。“你可以用一些化学品和光学显微镜。”

发现的模式

使用这种方法,研究人员预测,科学家可以为许多其它疾病开发更精确的诊断。要做到这一点,科学家和医生将需要分析更多的患者样本,让他们发现模式,否则是不可能看到。

one-hundredfold“如果你可以扩大组织的体积,在其他条件相同的情况下,你得到的信息100倍,”鲍登说。

例如,研究人员可以区分癌细胞基于多少一个特定基因的副本。如HER2基因的额外拷贝,研究者们在这项研究的一个部分,表明乳腺癌亚型符合特定治疗。

科学家也可以看看基因组的架构,或在细胞形状如何变化,因为他们与其他细胞癌变和互动的身体。另一个可能的应用程序识别蛋白质表达特别癌细胞表面,让研究人员设计免疫疗法,这些细胞的破坏病人的免疫系统。

Boyden和他的同事们多次运行培训课程一个月在麻省理工学院,在那里游客可以过来看显微镜技术的扩张,和他们有协议可以在他们的网站上。他们希望更多的人将开始使用这种方法来研究各种各样的疾病。

“癌症活检只是开始,”鲍登说。“我们有一个新管道临床样本和扩张,我们发现我们可以扩张适用于许多不同的疾病。扩张将使计算病理标本利用更多的信息比以前。”

Humayun Irshad,哈佛大学研究员/ BIDMC和这项研究的作者之一,表示赞同:“扩大图像导致更丰富的功能,进而导致分数分类模型。”

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