Um X multiescala

Scientific Data volume 9, Número do artigo: 264 (2022) Citar este artigo

1440 Acessos

2 Citações

1 Altmétrica

Detalhes das métricas

Os avanços tecnológicos na geração de imagens de raios-X usando fontes síncrotrons brilhantes e coerentes agora permitem o desacoplamento do tamanho e da resolução da amostra, mantendo alta sensibilidade às microestruturas de tecidos moles e parcialmente desidratados. Os desenvolvimentos contínuos em imagens de raios X multiescala resultaram na tomografia de contraste de fase hierárquica, uma abordagem abrangente para enfrentar o desafio da imagem de tecidos moles em escala de órgão (até dezenas de centímetros) com resolução e sensibilidade até o nível celular. Usando esta técnica, visualizamos ex vivo todo o pulmão esquerdo humano em um tamanho de voxel isotrópico de 25,08 μm, juntamente com zooms locais de até 6,05–6,5 μm e 2,45–2,5 μm no tamanho do voxel. O alto contraste tecidual oferecido pela fonte síncrotron de quarta geração no European Synchrotron Radiation Facility revela a complexa constituição anatômica multiescalar do pulmão humano desde a escala macroscópica (centímetro) até a escala microscópica (micrômetro). O conjunto de dados fornece informações 3D abrangentes em escala de órgão dos lóbulos pulmonares secundários e delineia a microestrutura dos nódulos pulmonares com detalhes sem precedentes.

Medidas)

pulmão esquerdo humano

Tipos de tecnologia

Imagem de Contraste de Fase de Raios-X

O pulmão humano está entre os maiores órgãos sólidos do corpo humano. Tradicionalmente, os estudos de microanatomia pulmonar em escala de órgão requerem operações demoradas em amostragem direcionada, preparação de tecido, coloração histológica e seccionamento1,2. Hoje em dia, avaliações clínicas ex vivo de todas as microestruturas pulmonares são realizadas sem seccionamento usando micro-CT de contraste de absorção em torno de 100 μm de tamanho de voxel. Uma área limitada do pulmão pode então ser selecionada para geração de imagens em maior resolução usando histologia3,4,5. A imagem de contraste de fase de raios-X6,7 fornece maior sensibilidade e contraste do que a micro-CT de laboratório8. Comparado com a histologia virtual ótica9, o contraste de fase de raios-X da propagação no espaço livre não requer ótica de imagem e, ao mesmo tempo, elimina a necessidade de limpeza laboriosa do tecido e marcação fluorescente que são essenciais para a imagem ótica10. A compatibilidade da imagem de contraste de fase de raios X com as fontes de raios X existentes facilitará sua adoção gradual e a transição da pesquisa pré-clínica para o diagnóstico clínico6,11,12. Nas instalações síncrotron, atualizações sistemáticas13,14 na fonte de raios X e técnicas de imagem nas últimas décadas fornecem os meios para lidar com questões biológicas em escalas e resoluções significativas11,15,16,17,18,19,20. Embora a imagem de raios-X baseada em síncrotron possa acessar detalhes anatômicos mais finos do que a micro-CT de laboratório19,21,22,23, muitos cenários de bioimagem exigem maior aumento da taxa de transferência de imagem e acomodação de tamanho de amostra grande, mantendo a resolução microscópica24,25.

Graças ao alto fluxo de fótons de raios-X e à coerência espacial alcançada em fontes síncrotrons modernas de quarta geração e ao design cuidadoso da preparação de amostras e do protocolo de imagem, agora é possível obter imagens de órgãos humanos completos, grandes e parcialmente desidratados em sua totalidade no micrômetro resolução usando tomografia de contraste de fase hierárquica (HiP-CT)26. A técnica integra um fluxo de trabalho de imagem multiescala4,27,28,29,30 em uma única configuração, utilizando contraste de fase de propagação obtido de raios X policromáticos de alta energia e configurações de detecção ajustáveis. Portanto, a varredura de um órgão humano inteiro (com um tamanho de 5 a 30 cm em cada dimensão) em várias resoluções pode ser executada sem dissecar a amostra ou exigir transporte para diferentes locais ou instalações do instrumento27,28,30. O HiP-CT apresenta uma correção personalizada de campo plano, um protocolo de escaneamento de atenuação, juntamente com uma amostra tomográfica eficiente e canal de costura para cobrir totalmente órgãos grandes de tecidos moles, sem coloração27,31 ou limpeza10. A abordagem de imagem integrada de modalidade única e multiescala do HiP-CT26 garante um procedimento de registro de imagem simplificado graças ao contraste de tecido consistente em escalas de comprimento. Seu protocolo de imagem se inspira nas abordagens multiescala existentes4,18,19,29, começando com uma amostragem tomográfica em duas etapas de todo o órgão (tomografia de campo total), seguida de zooms progressivos para características selecionadas da microanatomia por meio de tomografias locais em várias resoluções mais finas compatíveis com o contexto anatômico relevante. A HiP-CT requer que a amostra, como um órgão de tecido mole, seja embebida em solução de etanol a 70% em água e imobilizada com blocos de ágar durante a geração de imagens (ver Fig. 1a,b). A correção de campo plano toma como referência um recipiente separado (frasco de referência) do mesmo tamanho que o frasco de amostra para aumentar o contraste dos tecidos moles (ver Fig. 1c). Fornecemos aqui o conjunto de dados de um pulmão esquerdo humano intacto fotografado por HiP-CT com tamanho de voxel de 25,08 μm (órgão completo, consulte a Fig. 1d) e com tamanhos de voxel de 6,05–6,5 μm e 2,45–2,5 μm para vários volumes locais de interesse ( VOIs) realizado pela otimização do espectro de raios-X incidente, distância de propagação, espessura do cintilador e a óptica de acoplamento antes do detector (consulte Métodos). Os experimentos de imagem de raios X foram realizados na linha de luz BM05 do European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) usando a fonte de raios X extremamente brilhante de quarta geração recentemente atualizada (ESRF-EBS)32,33.