Учёные научили ИИ виртуально окрашивать ткани в 3D для патологии

Более полутора веков патология остаётся наукой о тонких срезах. Врач берёт кусочек ткани, нарезает его на пластины толщиной в несколько микрометров, окрашивает специальными красителями, делающими клетки различимыми, и смотрит в микроскоп. Этот метод — золотой стандарт диагностики болезней, от рака до воспаления. Но у него есть принципиальный изъян: он двумерный. Из куска ткани в несколько миллиметров учёный видит лишь ничтожную долю — менее 0,1%.

Теперь международная группа учёных из Института Пауля Шеррера (PSI, Швейцария) совместно с коллегами из Швеции и США преодолела это ограничение. Исследование опубликовано в журнале Journal of the Royal Society Interface.

Серость против цвета: проблема рентгеновской гистологии

Рентгеновская микротомография (microCT) уже умеет сканировать целые образцы ткани в трёх измерениях с разрешением до одного микрометра. Технология позволяет виртуально «нарезать» образец в любой плоскости — без физического разрушения. Это потенциально революционный инструмент для патологии.

Однако у рентгеновских снимков есть серьёзный недостаток: они серые. Все оттенки серого. В традиционной гистологии красители делают видимыми разные клеточные структуры — ядра, цитоплазму, волокна — каждую в своём цвете. Патологоанатомы обучены распознавать болезни именно по этим цветным картинам. Серая рентгеновская картина чужда их опыту и значительно труднее интерпретируется.

VISTACT: нейросеть переводит серое в цветное

Разработанная командой платформа VISTACT (Virtual Staining of microCT images) использует глубокое обучение для решения этой задачи. Нейросеть обучалась на парных данных: с одной стороны — серые рентгеновские снимки ткани, с другой — классические окрашенные гистологические срезы тех же образцов. В итоге сеть научилась воспроизводить «цветное» окрашивание для новых серых рентгеновских данных.

Работа продемонстрирована на образцах лёгочной ткани человека и мыши:

• Результат виртуального окрашивания визуально близок к традиционной гистологии по ряду стандартных красителей.
• Метод применён для выявления трёхмерного ремоделирования лёгочных артерий у пациентов с лёгочной гипертензией — состоянием, при котором сосуды патологически перестраиваются.
• Впервые удалось визуализировать изменённые сосудистые зоны в трёх измерениях, а не в отдельных двумерных срезах.

«Мы смогли трёхмерно картировать изменённые сосудистые области», — пояснила Кристина Альмагро-Перес, первый автор работы, выполнившая исследование в рамках магистерской диссертации в группе Горана Ловрича.

Что это меняет в диагностике

Последствия могут быть существенными:

• Больше информации из одного образца. Традиционная гистология разрушает ткань. Трёхмерный метод позволяет сохранить весь объём для дальнейших исследований.
• Точнее оценка гетерогенности опухоли. Раковые опухоли неоднородны. Двумерный срез — лишь взгляд в замочную скважину. Трёхмерная карта дает куда более полную картину.
• Новые возможности для исследований. Ткани из биопсий или резекций, прежде лежавшие в хранилищах, можно будет ретроспективно изучать в 3D.

Читайте также по теме: нанотехнологиях в лечении ран.

Более 150 лет после Вирхова — основателя клеточной патологии — медицина исследует болезни в двух измерениях. Виртуальное трёхмерное окрашивание открывает принципиально новую возможность: увидеть болезнь такой, какая она есть на самом деле — объёмной, трёхмерной структурой.