Новости

Oct 27, 2023

Рапид-одиночный

Природная биомедицинская инженерия

Природная биомедицинская инженерия (2023 г.) Процитировать эту статью

6969 Доступов

170 Альтметрика

Подробности о метриках

Во время операции быстрый и точный гистопатологический диагноз имеет важное значение для принятия клинического решения. Тем не менее, распространенный метод интраоперационной консультации требует больших затрат времени, труда и затрат и требует опыта обученных патологоанатомов. Здесь мы показываем, что образцы биопсии можно анализировать в течение 30 минут путем последовательной оценки физических фенотипов сингулярных суспендированных клеток, диссоциированных из тканей. Метод диагностики сочетает в себе безферментную механическую диссоциацию тканей, цитометрию деформируемости в реальном времени со скоростью 100–1000 клеток/с и анализ данных методами неконтролируемого уменьшения размерности и логистической регрессии. Параметры физического фенотипа, извлеченные из светлопольных изображений одиночных клеток, различают субпопуляции клеток в различных тканях, усиливая или даже заменяя измерения молекулярных маркеров. Мы использовали этот метод для количественной оценки степени воспаления толстой кишки и точного различения здоровых и опухолевых тканей в образцах биопсии толстой кишки мыши и человека. Этот быстрый подход без использования меток может помочь интраоперационно обнаружить патологические изменения в твердых биоптатах.

Изменения физических свойств клеток, таких как размер, форма или деформируемость клеток, имеют решающее значение для патологии некоторых заболеваний и обладают большим потенциалом в качестве диагностического или прогностического маркера1,2. За последние десятилетия было разработано множество инструментов для изучения механических свойств клеток, включая аспирацию микропипетками, атомно-силовую микроскопию, реометрию микрошариков и оптические ловушки3,4. В этой области наблюдается экспоненциальный рост количества публикаций, которые предполагают сильную корреляцию между клеточным механическим фенотипом и болезненным состоянием, включая сепсис5,6, малярию7, диабет8, серповидно-клеточную анемию9 и рак10,11,12. К сожалению, эти традиционные методы страдают от низкой пропускной способности клеток и необходимости глубоких специальных знаний для работы, что ограничивает их использование в качестве диагностического инструмента. Цитометрия флуоресценции и деформируемости в реальном времени (RT-FDC)13,14 является одним из нескольких новых микрофлюидных методов10,15,16,17,18,19,20,21,22, которые преодолели эти недостатки и позволяют оценивать физические свойства одиночных клеток без использования меток и с высокой пропускной способностью, что открывает новые возможности для клинической диагностики. RT-FDC не только быстр (анализируется до 1000 клеток в секунду), но в дополнение к деформируемости клеток он также предоставляет многомерную информацию, полученную непосредственно из изображений клеток. Диагностический потенциал RT-FDC был продемонстрирован при многих заболеваниях человека, от лейкемии до бактериальных и вирусных инфекций, включая коронавирусную болезнь 2019 (ссылки 23,24,25,26,27). Однако до сих пор применимость этого метода ограничивалась анализом культивируемых клеток или жидких биопсий крови или костного мозга.

Биопсия твердых тканей является наиболее распространенным методом характеристики злокачественных новообразований и имеет основополагающее значение для хирургов во время интраоперационного и периоперационного ведения онкологических больных. Диагностическая оценка биоптатов твердых тканей обычно проводится посредством интраоперационной консультации по патологии, которая основана на гистопатологическом анализе замороженных срезов биопсии28. Обычный рабочий процесс интраоперационной диагностики включает многочисленные этапы обработки, окрашивание реагентов и микроскопическое исследование срезов тканей опытными патологами для экспертного анализа. Кроме того, подготовка проб требует много времени, ресурсов и труда. Были предложены альтернативные рабочие процессы28, включая стимулированную рамановскую спектроскопию29,30, оптическую когерентную томографию31 и флуоресцентную микроскопию32,33, но они еще не реализованы. Поэтому необходимость в подходе, который сокращает подготовку проб и время на постановку диагноза, является неизбежной.

В этой статье мы представляем быстрый, безмаркерный диагностический метод биопсии твердых тканей. Этот подход сочетает в себе безэнзимную механическую диссоциацию тканей с использованием измельчителя тканей (TG) для быстрого и простого выделения жизнеспособных одиночных клеток34,35 с последовательной оценкой клеточных физических фенотипов тысяч отдельных клеток с использованием RT-FDC. Сначала мы проверяем панель различных тканей мыши и оцениваем выход клеток, жизнеспособность и возможность измерения RT-FDC при механической диссоциации ткани. Мы иллюстрируем способность различать субпопуляции тканевых клеток исключительно на основе физических параметров, полученных из изображения, без предварительных знаний или дополнительной молекулярной маркировки, что может улучшить традиционную проточную цитометрию, которая опирается на многоцветные панели маркеров для идентификации клеток. Мы также показываем, что наш подход может определять воспалительные изменения в ткани толстой кишки на основе измерения деформируемости клеток в микрофлюидной системе. Кроме того, мы исследуем замороженные и свежие образцы биопсии толстой кишки мыши и человека и показываем, что RT-FDC может отличать здоровые ткани от раковых, используя анализ главных компонентов (PCA) и машинное обучение на многомерных данных. Результаты показывают, что оценка физического фенотипа одиночных клеток тканевого происхождения с использованием RT-FDC является альтернативной стратегией обнаружения воспалительного или злокачественного состояния. Наша процедура, которая может дать результаты в течение 30 минут, имеет потенциал в качестве интраоперационной диагностической системы для чувствительного обнаружения патологических изменений в биопсиях и, в более общем плане, для идентификации и характеристики клеточных популяций в тканях беспристрастным и безмаркерным способом.