Bisher waren der Mikroskopie (Vergrößerung eines festgelegten Bildes oder Objekts) Grenzen gesetzt. Herkömmliche Lichtmikroskope, die eine Okularlinse verwenden, um das, was durch die Objektivlinse beobachtet wird, zu vergrößern, zeigen keine „feinen Details“ von Zellen. Obwohl es hochauflösende Elektronenmikroskope gibt, die das Bild von Geweben, Molekülen und anderen Merkmalen mit großer Vergrößerung vergrößern können, sind sie sehr teuer. Aber Forscher des MIT und der Harvard Medical School haben eine bessere und dennoch erschwingliche Methode für eine genauere Bildgebung entwickelt.
Im Jahr 2015 entwickelte eine Forschergruppe unter der Leitung von Edward Boyden, einem außerordentlichen Professor für Biotechnik sowie Gehirn- und Kognitionswissenschaften am MIT, eine Technik, mit der eine Gewebeprobe vor der Bildgebung auf das Hundertfache ihres ursprünglichen Volumens vergrößert werden kann. In einem aktuellen Studie Am MIT und in Harvard nutzten Wissenschaftler diese Technik als genauere und kostengünstigere Lösung, um Brustläsionen im Frühstadium mit hohem oder geringem Risiko für die Entwicklung von Krebs zu unterscheiden.
Das University Network (TUN) sprach mit Boyden, um Einblicke in seine Mikroskopietechnik und die aktuelle Studie zu Brustläsionen zu erhalten.
„Seit mehr als 100 Jahren sind herkömmliche Lichtmikroskope wichtige Werkzeuge für die Pathologie“, sagte Boyden gegenüber TUN. „Allerdings lassen sich mit diesen Zielfernrohren keine feinen Details von Zellen erkennen. Durch die Erweiterung können Forscher mit einem herkömmlichen Lichtmikroskop Merkmale erkennen, die normalerweise nur mit einem teuren, hochauflösenden Elektronenmikroskop sichtbar wären. Darüber hinaus werden zusätzliche molekulare Informationen sichtbar, die das Elektronenmikroskop nicht liefern kann. Da viele in der modernen Medizin besorgniserregende Krankheiten mit sehr subtilen Veränderungen beginnen, z. B. bei Krebs, Autoimmunerkrankungen oder beim Altern, ist es wichtig, feine Details von Zellen erkennen zu können, um Krankheiten frühzeitig und genau zu diagnostizieren.“
Die Studie
In der Studie erweiterten die Forscher die Biopsie-Gewebeproben. Diese Gewebeproben werden üblicherweise durch Färben mit einer Chemikalie, Einbetten in Paraffinwachs oder Schockfrosten sichtbarer gemacht.
Um die Proben für die Expansion vorzubereiten, setzten die Forscher die Proben einem chemischen Lösungsmittel namens Xylol aus, um den chemischen Fleck oder Paraffin zu entfernen. Anschließend erhitzten sie die Proben in einer anderen Chemikalie namens Citrat.
Abschließend durchlaufen die Proben einen ähnlichen Expansionsprozess wie der 2015 entwickelte. Boyden und sein Team betteten biologische Proben in ein dichtes, quellbares Polymer ein und fügten dann Wasser hinzu. Dadurch schwoll das Volumen der biologischen Probe um das Hundertfache an.
Was die aktuelle Studie von der Studie aus dem Jahr 2015 unterscheidet, ist, dass die Forscher die Proben aufgrund der vorherigen chemischen Fixierung den Proben stärkeren Aufschlussschritten unterziehen müssen.
Die Forscher nutzten diese Technik, um Proben von Patientinnen mit Brustläsionen im Frühstadium zu testen. Eine übliche Methode, um zu testen, ob Läsionen bösartig werden, ist die Beobachtung der Zellkerne. Läsionen ohne typische Kerne haben ein viel größeres Risiko, sich zu Krebs zu entwickeln.
In der Vergangenheit kam es aufgrund der unterschiedlichen Beurteilung atypischer Kerne durch Pathologen häufig zu Fehldiagnosen. Eine bessere Möglichkeit, gutartige Läsionen mit atypischen und typischen Kernen zu unterscheiden, könnte Hunderte Millionen Dollar einsparen und 400,000 Fehldiagnosen pro Jahr in den USA verhindern
Nach der Erweiterung der Gewebeproben verwendeten die Forscher maschinelle Lernalgorithmen, um zwischen Läsionen zu unterscheiden, die wahrscheinlich invasiv werden würden, und solchen, bei denen dies nicht der Fall war.
Zusätzliche Verwendungsmöglichkeiten für die Erweiterung
Dieser Ansatz kann auch zum Auffinden anderer Krankheiten angewendet werden. Bei ihrer Analyse des Nierengewebes stellten die Forscher fest, dass Bilder vergrößerter Proben Anzeichen einer Nierenerkrankung zeigten, die zuvor nur mit einem Elektronenmikroskop festgestellt werden konnten.
„Wir haben Nierengewebeproben von Patienten mit nephrotischem Syndrom analysiert, das die Fähigkeit der Niere, Blut zu filtern, beeinträchtigt“, sagte Boyden gegenüber TUN. „Bei diesen Patienten gehen winzige fingerartige Vorsprünge, die das Blut filtern, verloren oder werden beschädigt. Diese Strukturen haben einen Abstand von etwa 200 Nanometern und sind daher normalerweise nur mit einem Elektronenmikroskop oder teuren hochauflösenden Mikroskopen sichtbar.“
Als die Forscher die expandierten Gewebeproben einer Gruppe von Wissenschaftlern zeigten, konnte die Gruppe das erkrankte Gewebe insgesamt mit einer Genauigkeit von 90 Prozent identifizieren, verglichen mit einer Genauigkeit von nur 65 Prozent bei nicht expandierten Gewebeproben.
Mehrmals im Monat veranstalten Boyden und sein Team Schulungen am MIT, bei denen Besucher Techniken der Expansionsmikroskopie besuchen und beobachten können. Ihr Ziel ist es, dass viele Menschen diesen Ansatz nutzen, um Krankheiten zu erkennen.
„Krebsbiopsien sind nur der Anfang“, sagte Boyden in einer Erklärung. „Wir haben eine neue Pipeline für die Entnahme und Erweiterung klinischer Proben und stellen fest, dass wir die Erweiterung auf viele verschiedene Krankheiten anwenden können. Die Erweiterung wird es der computergestützten Pathologie ermöglichen, mehr Informationen in einer Probe zu nutzen, als dies bisher möglich war.“
Zusammenfassung
Krebs und andere Autoimmunerkrankungen sind körperlich, emotional und finanziell schwer zu bewältigen. Ein Schlüsselfaktor zur Begrenzung der vielen Belastungen, die eine Krankheit mit sich bringt, ist die Fähigkeit, sie frühzeitig zu erkennen. Viele Krankheiten, darunter auch Krebs, beginnen jedoch mit sehr subtilen Veränderungen, die möglicherweise nicht frühzeitig erkannt werden. Ansätze wie diese neue Erweiterungsmethode sind daher von entscheidender Bedeutung im Kampf um eine schnelle, kostengünstige und genaue Diagnose von Krankheiten.
