Fantomy komórek pomogą w rozwoju tomografii holograficznej

Obrazowanie komórek jest trudnym zadaniem ze względu na ich rozmiary oraz przezroczyste wnętrze. Z pomocą przychodzi tomografia holograficzna, a także opracowane przez naukowców PW modele cyfrowe oraz rzeczywiste fantomy komórek 3D.

Zespół z Wydziału Mechatroniki pod kierunkiem prof. Małgorzaty Kujawińskiej od lat pracuje nad udoskonaleniem mikroskopów holograficznych, które pozwalają poznać i zapisać pełną informację o obiekcie, np. komórkach rakowych. By zdobyte dane można było wykorzystać w diagnostyce, trzeba badane struktury bardzo dobrze poznać, zmierzyć ich parametry w całej objętości.  

Tomograf holograficzny made in PW

W ramach grantu uzyskanego w 2016 r. w programie TEAM-TECH, realizowanym przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej, naukowcy z Instytutu Mikromechaniki i Fotoniki zaprojektowali i zbudowali prototyp tomografu holograficznego do badań wolnozmiennych zjawisk na poziomie komórkowym. W tym nowym typie mikroskopu komórka lub wycinek tkanki prześwietlane są z wielu kierunków. Na podstawie zgromadzonych danych można niezwykle precyzyjnie zrekonstruować trójwymiarową geometrię struktur wewnętrznych komórki z dokładnością poniżej 200 nanometrów, ale również wyznaczany jest rozkład współczynnika załamania. To pozwala monitorować zmiany w komórkach biologicznych, ocenić ich „zdrowie”.

Co istotne, obserwowane struktury nie muszą być barwione (jak w histopatologii, co znacznie wydłuża czas oczekiwania pacjenta na wynik badania) lub znakowane (jak np. w mikroskopie fluorescencyjnym).

– W tej chwili na rynku są dwa systemy tomografów holograficznych oferowane przez szwajcarską i koreańską firmę, nasz daje jednak poprawniejsze odwzorowanie trójwymiarowe i w pełni ilościową analizę współczynnika załamania – podkreśla prof. Małgorzata Kujawińska.

Dziełem zespołu z PW jest także system, który umożliwia obrazowanie zmian zachodzących w komórkach i mikroorganizmach w sposób dynamiczny, np. pod wpływem podanej substancji chemicznej lub promieniowania. Pomoże on w opracowywaniu nowych leków i metod leczenia.

Niezbędny wspólny mianownik

Niestety, systemy tomograficzne dostarczają wyniki o bardzo różnej precyzji. Utrudnia, a czasem uniemożliwia to ich porównywanie i umieszczanie we wspólnych bazach danych w przypadku pozyskiwania w różnych zespołach badawczych i pracowniach diagnostycznych. Problemem jest brak norm i standardowych wzorców kalibracyjnych.

– Do tej pory mikroskop był narzędziem analizy jakościowej. Histopatolodzy przede wszystkim obserwowali obraz: zliczali komórki, niekiedy śledzili ich ruch. Obecna diagnostyka, zgodnie z oczekiwaniami lekarzy, którym zależy na dokładnej informacji ilościowej, może bazować na pomiarach materii wewnątrzkomórkowej, jej rozkładu i zmian. Kluczowa jest jednak wiarygodność i precyzja odwzorowania – tłumaczy prof. Małgorzata Kujawińska.

Na całym świecie trwają badania nad opracowaniem sposobów weryfikacji zmierzonych wielkości. Niestety nie wiadomo jakie są prawdziwe właściwości optyczne komórki, ponieważ brakuje innych narzędzi pomiaru.

„Fantomowa” pomoc

W kontroli metrologicznej wyników pomiarów dokonanych podczas trójwymiarowego obrazowania materiałów biologicznych pomogą modele komórek opracowane przez zespół z Instytutu Mikromechaniki i Fotoniki. Ich parametry są precyzyjnie określone, a charakterystyka odzwierciedla typowe struktury biologiczne. Badacze stworzyli zarówno cyfrowe, jaki i fizyczne modele komórki i hodowli komórkowych.

Niezbędnym warunkiem do szerokiego wykorzystania tomografii holograficznej, a ogólniej ilościowych trójwymiarowych metod pomiarowych w medycynie, biologii i farmakologii jest jednak opracowanie metodyki pomiarów i interpretacji wyników, a w konsekwencji standardów diagnostycznych. Umożliwi to chociażby automatyzację analizy próbek histopatologicznych, a tym samym odciąży lekarzy oraz przyspieszy badanie i zmniejszy jego koszt.