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Viene dimostrato un microscopio fotoacustico ultravioletto ad alta velocità e open-top in grado di fornire immagini istologiche intraoperatorie per l'analisi del margine chirurgico, compresa la configurazione del sistema, l'allineamento ottico, la preparazione del campione e le procedure sperimentali.
L'analisi del margine chirurgico (SMA), una procedura essenziale per confermare la completa escissione del tessuto canceroso nella chirurgia di resezione tumorale, richiede strumenti diagnostici intraoperatori per evitare ripetuti interventi chirurgici a causa di un margine chirurgico positivo. Recentemente, sfruttando l'elevato assorbimento ottico intrinseco di DNA/RNA a 266 nm di lunghezza d'onda, è stata sviluppata la microscopia fotoacustica ultravioletta (UV-PAM) per fornire immagini istologiche ad alta risoluzione senza etichettatura, mostrando grandi promesse come strumento intraoperatorio per la SMA. Per consentire lo sviluppo di UV-PAM per SMA, qui viene presentato un sistema UV-PAM ad alta velocità e open-top, che può essere utilizzato in modo simile alle microscopie ottiche convenzionali. Il sistema UV-PAM offre un'elevata risoluzione laterale di 1,2 μm e un'elevata velocità di imaging di 55 kHz A-line rate con scansione a specchio galvanometrica a un asse. Inoltre, per garantire che le immagini UV-PAM possano essere facilmente interpretate dai patologi senza ulteriore formazione, le immagini UV-PAM originali in scala di grigi sono praticamente macchiate da un algoritmo di apprendimento profondo per imitare le immagini standard macchiate di ematossilina ed eosina, consentendo un'analisi istologica senza allenamento. L'imaging della fetta di cervello del topo viene eseguito per dimostrare le elevate prestazioni del sistema UV-PAM open-top, illustrando il suo grande potenziale per le applicazioni SMA.
L'analisi del margine chirurgico (SMA), che richiede un esame dei campioni di tessuto al microscopio, è una procedura essenziale per determinare se tutte le cellule tumorali vengono rimosse dal corpo di un paziente in un intervento chirurgico di resezione1. Pertanto, un microscopio in grado di fornire rapidamente immagini istologiche è di vitale importanza per la SMA per evitare ripetuti interventi chirurgici causati da una rimozione incompleta delle cellule tumorali. Tuttavia, secondo l'attuale metodo gold standard basato sulla microscopia ottica a campo luminoso, il tessuto asportato deve essere fissato in formalina, incorporato nella paraffina, sezionato in fette sottili (4-7 μm) e quindi colorato da ematossilina ed eosina (H & E) prima dell'imaging, che richiede tempo (3-7 giorni) e laborioso 2,3 . Una sezione congelata è un'alternativa rapida per la SMA congelando, affettando e macchiando rapidamente il tessuto, che può fornire immagini istologiche in 20-30 minuti4. Tuttavia, le caratteristiche istologiche sono spesso distorte e richiedono una formazione abile, il che ostacola l'applicabilità della tecnica a più tipi di organi5.
Per la SMA sono state sviluppate tecniche di microscopia ottica in grado di fornire immagini cellulari senza o con pochi passaggi di elaborazione tissutale. Tuttavia, ognuno di loro soffre di problemi diversi. Ad esempio, la tomografia a coerenza ottica6 e la microscopia a riflettanza confocale7 soffrono di bassa specificità a causa del loro basso contrasto intrinseco di scattering. Sebbene la microscopia con eccitazione superficiale ultravioletta8 e microscopia a foglio luminoso9 possa fornire immagini ad alta risoluzione e ad alto contrasto per la SMA, la procedura di colorazione tossica e volatile di solito non può essere eseguita in una sala operatoria, il che prolunga i tempi di consegna. La microscopia multi-fotone10 e la microscopia Raman stimolata11 possono fornire informazioni dettagliate per la SMA. Tuttavia, l'alto costo dei laser ultraveloci richiesti che vengono utilizzati per generare effetti non lineari impedisce la loro ampia applicabilità.
Recentemente, sfruttando l'assorbimento ottico intrinseco, è stata sviluppata la microscopia fotoacustica ultravioletta senza etichetta (UV-PAM) per fornire immagini istologiche ad alta risoluzione12. In UV-PAM, l'energia fotonica della luce UV di eccitazione (ad esempio, 266 nm) viene prima assorbita dal DNA / RNA nei nuclei cellulari13 e quindi convertita in calore, inducendo l'emissione di onde acustiche attraverso l'espansione termico-elastica14. Rilevando le onde acustiche generate, è possibile ottenere immagini UV-PAM bidimensionali (2D) dei nuclei cellulari tramite la proiezione di ampiezza massima dei segnali acustici, fornendo informazioni istologiche per SMA. Per consentire le applicazioni cliniche di UV-PAM, è stato sviluppato un UV-PAM ad alta velocità basato sulla scansione a specchio galvanometrica per fornire immagini istologiche per un campione di biopsia cerebrale (5 mm x 5 mm) entro 18 minuti, mostrando un grande potenziale nelle applicazioni sensibili al tempo15. Per convalidare ulteriormente la possibilità di UV-PAM per l'imaging di tessuti spessi, è stato proposto un sistema UV-PAM in modalità riflessione con uno scanner impermeabile di sistemi microelettromeccanici a un asse, dimostrando con successo l'esame istopatologico intraoperatorio del colon umano e dei tessuti epatici16. Poiché l'immagine UV-PAM originale è in scala di grigi mentre l'immagine macchiata di H&E gold standard è nei colori rosa e viola, è difficile per i patologi interpretare direttamente le immagini UV-PAM. Per risolvere questo problema, è stato proposto un algoritmo di deep learning per trasferire immagini UV-PAM in scala di grigi in immagini virtuali macchiate di H & E in tempo quasi reale in modo che i patologi possano comprendere le immagini senza alcuna formazione aggiuntiva17.
Questo lavoro riporta un sistema UV-PAM ad alta velocità e open-top che può essere utilizzato in modo simile alle microscopie ottiche convenzionali, fornendo sia immagini istologiche in scala di grigi originali che immagini virtualmente macchiate assistite da un algoritmo di apprendimento profondo. Una fetta di cervello di topo fissata in formalina e incorporata in paraffina (FFPE) viene ripresa dal sistema UV-PAM per dimostrare la somiglianza tra le nostre immagini UV-PAM virtualmente macchiate e le immagini standard macchiate di H & E, mostrando il suo potenziale per le applicazioni SMA.
Tutti gli esperimenti sugli animali eseguiti in questo lavoro sono approvati dal Comitato etico animale presso l'Università della Scienza e della Tecnologia di Hong Kong.
1. Sistema UV-PAM open-top (Figura 1)
2. Preparazione del campione
3. Procedure sperimentali
La Figura 1 mostra lo schema del sistema UV-PAM ad alta velocità. In questa configurazione, i percorsi di eccitazione ottica e rilevamento ad ultrasuoni sono sullo stesso lato e sotto il campione, formando una modalità riflettente e un sistema open-top. Pertanto, è facile da usare e adatto per l'imaging di campioni spessi.
La Figura 2 mostra la traiettoria di scansione del sistema UV-PAM durante l'imaging. La sotto-immagine di ogni sezione (ad esempio, area di 5 mm x 30 μm) viene prima generata utilizzando un algoritmo di interpolazione sparsa, quindi un'intera immagine (ad esempio, un'area di 5 mm x 5 mm) viene ottenuta cucendo tutte le sotto-immagini utilizzando un algoritmo di elaborazione delle immagini personalizzato (vedi Tabella dei materiali).
La Figura 3A e la Figura 3B mostrano rispettivamente le immagini UV-PAM e H&E di una fetta di cervello di topo FFPE, entrambe con un campo visivo di 5 x 5 mm2. È possibile accedere all'algoritmo di elaborazione delle immagini da Github tramite il collegamento fornito nella Tabella dei materiali. Il tempo di acquisizione dell'immagine è stato inferiore a 18 minuti. La Figura 3C-F mostra le immagini ingrandite delle regioni contrassegnate nella Figura 3A, dove i singoli nuclei cellulari possono essere chiaramente risolti. Ancora più importante, i nuclei cellulari corrispondenti possono essere trovati nelle immagini standard colorate di H & E (Figura 3G-J), che mostrano l'elevata precisione dell'attuale sistema per l'imaging cellulare. Per trasferire l'immagine UV-PAM in scala di grigi su un'immagine virtuale macchiata da H&E, è stato applicato un algoritmo di deep learning17 (vedi Tabella dei materiali), che richiederebbe meno di 30 s per un'immagine con 8000 x 8000 pixel. Le corrispondenti immagini ingrandite sono mostrate nella Figura 3K-N. Le immagini UV-PAM praticamente macchiate forniscono quasi le stesse informazioni strutturali delle immagini colorate di H&E, mostrando la promessa per la traduzione clinica dell'attuale sistema UV-PAM.
Figura 1: Lo schema del sistema UV-PAM ad alta velocità e open-top. (A) La configurazione del sistema. (B) Fotografia del portacampioni e di un serbatoio dell'acqua collegato a uno stadio manuale a due assi. (C) Fotografia del trasduttore ad ultrasuoni a forma di anello fissato nel serbatoio dell'acqua e del serbatoio del campione che copre il foro del portacampioni. (D) Fotografia del serbatoio del campione con la membrana e il campione che verrebbero posizionati sul portacampioni. UV: ultravioletto; DAQ: Scheda di acquisizione dati; GM: Specchio galvanometrico. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: La traiettoria di scansione del sistema UV-PAM durante l'imaging. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Risultati sperimentali dell'imaging UV-PAM con colorazione virtuale basata sul deep learning. (A) Immagine UV-PAM di una fetta di cervello di topo FFPE. (B) Immagine standard macchiata di H&E della stessa fetta. Barre di scala: 1 mm (C-F) Immagini ingrandite delle regioni contrassegnate in A. (G-J) Corrispondenti immagini colorate di H&E delle regioni contrassegnate in B. (K-N) Immagini corrispondenti virtualmente macchiate utilizzando un algoritmo di deep learning. Barre di scala: 50 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
In sintesi, è stato dimostrato un sistema UV-PAM ad alta velocità e open-top per l'imaging istologico. Vengono presentate le istruzioni dettagliate sulla configurazione del sistema, l'allineamento ottico, la preparazione del campione e le procedure sperimentali. Il programma di acquisizione delle immagini è accessibile da Github tramite il link fornito nella Tabella dei materiali. La risoluzione laterale del sistema attuale è ~ 1,2 μm che è stata misurata sperimentalmente in una recente pubblicazione21. Una fetta di cervello di topo è stata fotografata per dimostrare che il sistema attuale può ottenere un'immagine istologica entro 18 minuti per un'area di 5 x 5 mm2, che è una dimensione tipica della biopsia cerebrale22. Sebbene l'immagine originale sia in scala di grigi, con l'assistenza di uno strumento di colorazione virtuale digitale abilitato da un algoritmo di deep learning, il presente sistema può ulteriormente fornire immagini virtualmente macchiate quasi in tempo reale, garantendo un facile adattamento per i patologi per interpretare le immagini. Come tecnica di immagine senza etichetta, l'attuale sistema UV-PAM può anche fornire immagini istologiche per campioni di tessuto fresco non elaborati. Altri esempi (compresi campioni di tessuto fresco e sezionati congelati) sono stati dimostrati in una precedente pubblicazione17. I risultati sperimentali mostrano l'elevato potenziale dell'attuale sistema UV-PAM assistito da deep learning nelle applicazioni SMA.
Uno dei vantaggi del sistema UV-PAM è che il sistema è implementato in modalità di riflessione, consentendo l'imaging di tessuti spessi. Inoltre, il sistema UV-PAM open-top consente di posizionare il campione sulla finestra di scansione (la membrana del serbatoio del campione), che ha un funzionamento simile alle microscopie ottiche tradizionali. Pertanto, questo sistema è più user-friendly rispetto ad altri sistemi che richiedono che i campioni siano inseriti da due membrane11,14. Inoltre, utilizzando un GM 1D con un laser UV ad alta velocità di ripetizione, l'attuale sistema UV-PAM può raggiungere un'elevata velocità di imaging con un costo maggiore rispetto al sistema che utilizza l'eccitazione multifocale23.
Attualmente, la velocità di imaging è principalmente limitata dal tasso di ripetizione del budget laser e fotone. Con un laser che ha un alto tasso di ripetizione e un'elevata energia di impulso, il tempo di imaging può essere ulteriormente ridotto. Un'altra limitazione del sistema è che il campione può essere regolato solo approssimativamente sul piano focale dell'obiettivo trovando i segnali PA massimi, invece di visualizzare un'immagine in tempo reale per consentire agli utenti di visualizzare se il campione è a fuoco. Per visualizzare un'immagine quasi in tempo reale, è possibile applicare GM 2D.
Ci sono due passaggi critici nel protocollo: (a) il requisito confocale dei fuochi ottici e acustici dovrebbe essere ottimizzato per ottenere un'elevata sensibilità di rilevamento; b) l'intervallo di scansione del GM sull'asse x deve essere inferiore al punto focale acustico dell'UT a forma di anello per mantenere una sensibilità di rilevamento elevata simile (nella configurazione attuale, l'intervallo di scansione è di ~ 30 μm ±15 μm). Altrimenti, evidenti effetti di vignettatura attorno ai bordi si verificherebbero quando più immagini secondarie vengono cucite insieme per ottenere un'intera immagine.
T. T. W. W. e V. T. C. T. hanno un interesse finanziario in PhoMedics Limited, che, tuttavia, non ha sostenuto questo lavoro. Gli autori non dichiarano conflitti di interesse.
Gli autori desiderano riconoscere il sostegno finanziario della Commissione per l'innovazione e la tecnologia di Hong Kong (ITS/036/19).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Alcohol | Sigma Aldrich | PHR1373 | Sample dehydration |
Amplifier | Mini Circuit | ZFL-500LN-BNC+ | Ultrasonic signal amplification |
Controller | National Instruments | NI myRIO | System controller |
Data acquisition card | Alazar Technologies | ATS9350 | Ultrasonic signal collection |
Deep-learning algorithm | For transfering the grayscale UV-PAM image to a virtual H&E-stained image; https://github.com/TABLAB-HKUST/Deep-PAM | ||
Formalin | Sigma Aldrich | R04586 | Sample fixation |
H&E staining kit | Abcam | ab245880 | Sample staining |
Histo-Clear II | National Diagnostics | HS-202 | Sample deparaffinization |
Image acquisition program | National Instruments | LabVIEW | Lab-built program using LabVIEW; https://github.com/TABLAB-HKUST/LabVIEW-program-for-UV-PAM |
Image processing algorithm | Mathworks | MATLAB | Lab-built algorithm using MATLAB; https://github.com/TABLAB-HKUST/ImageRec_GM-UVPAM |
Kinematic platform mounts | Thorlabs | KM200B | Adjust the sample to be flat |
Membrane | Glad | Cling wrap | Sandwiched in sample tank |
Microscope objective lens | Thorlabs | LMU- 5X-NUV | Objective lens |
Motorized stages | Physik Instrumente | L-509.10SD00 | Scanning stages |
One-dimensional galvanometer mirror | Thorlabs | GVS411 | Fast scanning mirror |
Oscilloscope | RIGOL Technologies | DS1102E | Ultrasonic signal readout |
Phosphate-buffered saline | Sigma Aldrich | P3813 | Sample washing |
Pinhole | Edmund Optics | #59–257 | Spatial filtering |
Plano convex lens | Thorlabs | LA-4600-UV | Focusing lens |
Plano convex lens | Thorlabs | LA-4663-UV | Collimating lens |
Pulser/receiver | Imaginant | DPR300 | Pulse echo amplifier |
Q-switch diode-pumped solid-state laser | Bright Solutions | WEDGE HF 266 nm | 266-nm laser |
Ring-shaped ultrasonic transducer | University of Southern California | Ultrasonic signal detection | |
Sample holder | Lab-made | Hold the sample tank | |
Sample tank | Lab-made | Hold biological samples | |
Single-axis Z-translational stage | Thorlabs | PT1 | Manual stage |
Two-axis manual stage | Thorlabs | LX20 | Manual stage |
Water tank | Lab-made | Ultrasonic signal transmission | |
Xylene | Sigma Aldrich | XX0060 | Sample clearing |
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