Una X multiscala

Dati scientifici, volume 9, numero articolo: 264 (2022) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

I progressi tecnologici nell'imaging a raggi X che utilizzano sorgenti di sincrotrone luminose e coerenti consentono ora il disaccoppiamento tra dimensione e risoluzione del campione, pur mantenendo un'elevata sensibilità alle microstrutture dei tessuti molli, parzialmente disidratati. I continui sviluppi nell’imaging a raggi X multiscala hanno portato alla tomografia gerarchica a contrasto di fase, un approccio completo per affrontare la sfida dell’imaging dei tessuti molli su scala d’organo (fino a decine di centimetri) con risoluzione e sensibilità fino al livello cellulare. Utilizzando questa tecnica, abbiamo ripreso ex vivo un intero polmone sinistro umano con una dimensione voxel isotropa di 25,08 μm insieme a zoom locali fino a 6,05–6,5 μm e 2,45–2,5 μm di dimensione voxel. L’elevato contrasto tissutale offerto dalla sorgente di sincrotrone di quarta generazione presso l’European Synchrotron Radiation Facility rivela la complessa costituzione anatomica multiscala del polmone umano dalla scala macroscopica (centimetro) fino a quella microscopica (micrometro). Il set di dati fornisce informazioni 3D complete su scala d’organo dei lobuli polmonari secondari e delinea la microstruttura dei noduli polmonari con dettagli senza precedenti.

Misurazione(i)

Polmone sinistro umano

Tipi di tecnologia

Imaging a contrasto di fase a raggi X

Il polmone umano è uno degli organi solidi più grandi del corpo umano. Tradizionalmente, gli studi di microanatomia polmonare su scala d'organo richiedono lunghe operazioni di campionamento mirato, preparazione dei tessuti, colorazione istologica e sezionamento1,2. Al giorno d'oggi, le valutazioni cliniche ex vivo delle microstrutture polmonari intere vengono eseguite senza sezionamento utilizzando micro-CT con contrasto di assorbimento con una dimensione voxel di circa 100 μm. Un'area limitata del polmone può quindi essere selezionata per l'imaging a risoluzione più elevata utilizzando l'istologia3,4,5. L'imaging a contrasto di fase a raggi X6,7 fornisce sensibilità e contrasto più elevati rispetto alla micro-CT di laboratorio8. Rispetto all'istologia ottica virtuale9, il contrasto di fase dei raggi X derivante dalla propagazione nello spazio libero non richiede ottiche di imaging e, allo stesso tempo, elimina la necessità di laboriose schiariture dei tessuti e marcatura fluorescente che sono essenziali per l'imaging ottico10. La compatibilità dell'imaging a contrasto di fase a raggi X con le sorgenti di raggi X esistenti ne faciliterà l'adozione graduale e la transizione dalla ricerca preclinica alla diagnostica clinica6,11,12. Negli impianti di sincrotrone, gli aggiornamenti sistematici13,14 della sorgente di raggi X e delle tecniche di imaging negli ultimi decenni forniscono i mezzi per affrontare questioni biologiche su scale e risoluzioni significative11,15,16,17,18,19,20. Sebbene l'imaging a raggi X basato sul sincrotrone possa accedere a dettagli anatomici più fini rispetto alla micro-CT di laboratorio19,21,22,23, molti scenari di bioimaging richiedono un ulteriore miglioramento della produttività dell'imaging e la sistemazione di campioni di grandi dimensioni mantenendo la risoluzione microscopica24,25.

Grazie all'elevato flusso di fotoni di raggi X e alla coerenza spaziale raggiunti dalle moderne sorgenti di sincrotrone di quarta generazione e all'attenta progettazione della preparazione del campione e del protocollo di imaging, è ora possibile acquisire immagini di organi umani completi, grandi e parzialmente disidratati nella loro interezza a micrometri risoluzione utilizzando la tomografia gerarchica a contrasto di fase (HiP-CT)26. La tecnica integra un flusso di lavoro di imaging multiscala4,27,28,29,30 in un'unica configurazione, utilizzando il contrasto di fase di propagazione ottenuto da raggi X policromatici ad alta energia e impostazioni di rilevamento regolabili. Pertanto, la scansione di un intero organo umano (con una dimensione di 5–30 cm in ciascuna dimensione) a risoluzioni multiple può essere eseguita senza sezionare il campione o richiedere il trasporto in diverse posizioni o strutture strumentali27,28,30. HiP-CT presenta una correzione personalizzata del campo piatto, un protocollo di scansione dell'attenuazione, insieme a un efficiente campionamento tomografico e una pipeline di cucitura per coprire interamente organi di grandi dimensioni e dei tessuti molli, senza colorazione27,31 o schiarimento10. L'approccio integrato di imaging monomodale e multiscala di HiP-CT26 garantisce una procedura di registrazione delle immagini semplificata grazie al contrasto tissutale coerente su tutte le scale di lunghezza. Il suo protocollo di imaging si ispira agli approcci multiscala esistenti4,18,19,29, iniziando con un campionamento tomografico in due fasi dell'intero organo (tomografia a campo pieno), seguito da progressivi ingrandimento di caratteristiche selezionate della microanatomia attraverso tomografie locali a varie risoluzioni più fini compatibili con il contesto anatomico rilevante. HiP-CT richiede che il campione, come un organo dei tessuti molli, sia incorporato in una soluzione di etanolo al 70% in acqua e immobilizzato con blocchi di agar durante l'imaging (vedere Fig. 1a,b). La correzione flat-field fa riferimento a un contenitore separato (vasetto di riferimento) della stessa dimensione del vaso del campione per migliorare il contrasto dei tessuti molli (vedere Fig. 1c). Forniamo qui il set di dati di un polmone sinistro umano intatto ripreso mediante HiP-CT con una dimensione del voxel di 25,08 μm (organo completo, vedere Fig. 1d) e con dimensioni del voxel di 6,05–6,5 μm e 2,45–2,5 μm per vari volumi locali di interesse ( VOI) ottenuto mediante l'ottimizzazione dello spettro dei raggi X incidenti, della distanza di propagazione, dello spessore dello scintillatore e dell'ottica di accoppiamento prima del rilevatore (vedere Metodi). Gli esperimenti di imaging a raggi X sono stati condotti presso la linea di luce BM05 dell'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) utilizzando la sorgente di raggi X estremamente brillante di quarta generazione recentemente aggiornata (ESRF-EBS)32,33.