멀티스케일 X

과학 데이터 9권, 기사 번호: 264(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

밝고 응집성 있는 싱크로트론 소스를 사용하는 X선 이미징의 기술 발전을 통해 이제 부드럽고 부분적으로 탈수된 조직의 미세 구조에 대한 높은 감도를 유지하면서 샘플 크기와 해상도를 분리할 수 있습니다. 멀티스케일 X선 영상의 지속적인 발전으로 계층적 위상차 단층촬영이 탄생했습니다. 이는 세포 수준까지 해상도와 감도를 갖춘 장기 규모(최대 수십 센티미터) 연조직 영상의 과제를 해결하기 위한 포괄적인 접근 방식입니다. 이 기술을 사용하여 우리는 복셀 크기가 6.05-6.5 μm 및 2.45-2.5 μm까지 로컬 확대되는 것과 함께 25.08 μm의 등방성 복셀 크기로 인간의 왼쪽 폐 전체를 생체 외에서 이미지화했습니다. 유럽 ​​싱크로트론 방사선 시설의 4세대 싱크로트론 소스가 제공하는 높은 조직 대비는 거시적(센티미터)에서 미세한(마이크로미터) 규모까지 인간 폐의 복잡한 다중 규모 해부학적 구성을 드러냅니다. 이 데이터 세트는 2차 폐 소엽에 대한 포괄적인 장기 규모의 3D 정보를 제공하고 전례 없는 세부 사항으로 폐 결절의 미세 구조를 묘사합니다.

측정

인간의 왼쪽 폐

기술 유형

X선 위상차 이미징

인간의 폐는 인체에서 가장 큰 고체 기관 중 하나입니다. 전통적으로 장기 규모의 폐 미세 해부학에 대한 연구에서는 표적 샘플링, 조직 준비, 조직학적 염색 및 단면화1,2에서 오랜 작업이 필요합니다. 요즘에는 전체 폐 미세구조에 대한 생체 외 임상 평가가 약 100μm 복셀 크기의 흡수 대비 마이크로 CT를 사용하여 단면화 없이 수행됩니다. 그런 다음 조직학3,4,5를 사용하여 더 높은 해상도의 이미징을 위해 폐의 제한된 영역을 선택할 수 있습니다. X선 위상차 영상6,7은 실험실 micro-CT8보다 더 높은 감도와 대비를 제공합니다. 광학 가상 조직학9과 비교하여 자유 공간 전파의 X선 위상차는 이미징 광학이 필요하지 않으며 동시에 광학 이미징10에 필수적인 힘든 조직 제거 및 형광 라벨링의 필요성을 제거합니다. 기존 X선 소스와 X선 위상차 이미징의 호환성은 전임상 연구에서 임상 진단으로의 점진적인 채택 및 전환을 촉진할 것입니다6,11,12. 싱크로트론 시설에서는 지난 수십 년 동안 X선 소스 및 이미징 기술의 체계적인 업그레이드13,14가 의미 있는 규모와 해상도11,15,16,17,18,19,20에서 생물학적 문제를 해결할 수 있는 수단을 제공했습니다. 싱크로트론 기반 X선 이미징은 실험실 마이크로 CT19,21,22,23보다 더 미세한 해부학적 세부 사항에 액세스할 수 있지만 많은 바이오 이미징 시나리오에서는 미세한 해상도를 유지하면서 이미징 처리량 및 대규모 샘플 크기의 수용을 더욱 확대해야 합니다.

최신 4세대 싱크로트론 소스에서 달성된 높은 X선 광자 플럭스 및 공간적 일관성과 시료 준비 및 이미징 프로토콜의 신중한 설계 덕분에 이제 완전하고 크고 부분적으로 탈수된 인간 장기 전체를 ​​마이크로미터에서 이미지화하는 것이 가능합니다. 계층적 위상차 단층촬영(HiP-CT)26을 이용한 해상도. 이 기술은 고에너지, 다색성 X선 및 조정 가능한 감지 설정에서 얻은 전파 위상 대비를 활용하여 다중 스케일 이미징 워크플로우4,27,28,29,30를 단일 설정으로 통합합니다. 따라서 샘플을 해부하거나 다른 기기 위치나 시설로 이동할 필요 없이 여러 해상도로 전체 인간 장기(각 차원에서 5~30cm 크기)를 스캔할 수 있습니다27,28,30. HiP-CT는 염색27,31 또는 투명화10 없이 대형 연조직 장기를 완전히 덮는 효율적인 단층 촬영 샘플링 및 스티칭 파이프라인과 함께 맞춤형 플랫 필드 교정, 감쇠 스캐닝 프로토콜을 갖추고 있습니다. HiP-CT26의 통합된 단일 방식, 다중 규모 이미징 접근 방식은 길이 규모에 걸쳐 일관된 조직 대비 덕분에 단순화된 이미지 등록 절차를 보장합니다. 이미징 프로토콜은 전체 기관의 2단계 단층 촬영 샘플링(전장 단층 촬영)으로 시작하여 국소 단층 촬영을 통해 미세 해부학의 선택된 기능을 점진적으로 확대하는 기존 다중 규모 접근 방식에서 영감을 얻습니다. 관련 해부학적 맥락과 호환되는 다양한 미세한 해상도로. HiP-CT에서는 연조직 기관과 같은 샘플을 물에 용해된 70% 에탄올 용액에 삽입하고 이미징 전반에 걸쳐 한천 블록으로 고정해야 합니다(그림 1a,b 참조). 플랫 필드 보정은 연조직 대비를 향상시키기 위해 샘플 병과 동일한 크기의 별도 용기(참조 병)에서 참조를 가져옵니다(그림 1c 참조). 우리는 HiP-CT로 25.08μm 복셀 크기(전체 기관, 그림 1d 참조)와 6.05~6.5μm 및 2.45~2.5μm 복셀 크기로 이미지화한 손상되지 않은 인간 왼쪽 폐의 데이터세트를 다양한 국소 관심 볼륨에 대해 제공합니다( VOI)는 입사 X선 스펙트럼, 전파 거리, 신틸레이터 두께 및 검출기 앞의 결합 광학 장치를 최적화하여 수행됩니다(방법 참조). X선 이미징 실험은 최근 업그레이드된 4세대 극도로 밝은 X선 소스(ESRF-EBS)를 사용하여 유럽 싱크로트론 방사선 시설(ESRF) BM05 빔라인에서 수행되었습니다.