用x射线断层摄影术捕捉三维细胞结构

观察细胞并非易事。大多数细胞还不到人类头发大小的十分之一，因此肉眼无法看到它们。光学显微镜通过对细胞进行染色，可以帮助我们看到细胞的不可见世界。然而，他们只给我们展示了一个非常薄的组织切片的二维图像。但是我们怎样才能看到细胞和组织在3D中是什么样子呢?为了做到这一点，慕尼黑工业大学的Madleen Busse博士一直在开发x射线染色剂，利用她的同事Franz Pfeiffer教授和Simone Ferstl MSc开发的尖端x射线成像技术，可以用于三维可视化细胞和组织。

要看到少于十分之一的物体的隐形世界，我们需要找到放大对象的方法。放大物体的一种方式可以是使用类似放大镜的东西，或者在需要更大的放大率，光学显微镜。

在显微镜上具有足够的放大率，可以产生甚至微小物体的透明和详细的图像，如细胞，其尺寸大约到数百微米的大小，这取决于细胞的类型。人眼可以看到的最小物体大约是毫米的十分之一，意味着细胞仍然是一个太小而不是任何放大的肉眼都可以看到10到一百次。幸运的是，在此订单上实现放大电平，并保持图像质量相对简单。因此，微观检查和电池的视觉检查已成为医学诊断的常规工具。

是什么使显微镜可用于诊断不同的疾病是许多疾病，如癌症，导致细胞水平变化。癌细胞与正常，健康的细胞具有许多视觉差异，包括对细胞结构的变化，甚至改变细胞如何形成组织簇和丛集在一起。这就是为什么采取活组织检查或小型组织样品，是癌症诊断的标准部分，并且以这种方式看待细胞的解剖学的过程被称为组织学。

要帮助识别细胞类型，区分健康和受感染的细胞，仅仅使用高质量的显微镜是不够的。要研究的细胞和结构需要先着色，才能在光学显微镜下看到它们。一种常用的技术是细胞染色，类似染料的分子被用来优先染色某些部分或某些类型的细胞。这可以帮助增加细胞不同区域之间的对比度。由于这个原因，我们经常看到细菌或细胞的图片被美丽地着色。一些细胞染色剂甚至可以用于活细胞，以了解它们的功能和代谢过程是如何工作的。

然而，光学显微镜并不是检查细胞的唯一方法。因此，也有细胞染色，设计工作与其他成像方法，而不是光学显微镜。Madleen Busse博士一直在开发专门用于x射线成像的细胞染色剂。在Franz Pfeiffer教授和Simone Ferstl以及慕尼黑技术大学的团队的监督下，她一直致力于将这些细胞染色与内部开发的3D x射线显微镜相结合，以观察细胞的最小细节。

Busse博士开发了一种染色方法，使得第一次看看细胞的细胞质。

3D X射线断层扫描
通常光学显微镜会给出一个物体的平面二维图像，显示组织的表层。对于医学诊断来说，能够在全3D空间中观察物体通常是有帮助的。这就是为什么计算机断层扫描(CT)被开发出来，而不仅仅是传统的平面x光片。在CT设备中，摄像机安装在一个大的圆形底座上。在CT扫描过程中，摄像机围绕病人转一圈，从不同角度拍摄快照。然后使用计算机算法从所有这些不同的图像重建一个完整的3D可视化。

3D x射线断层摄影术不仅可以用于病人身上，还可以用类似光学显微镜的方法观察组织切片进行组织学研究。使用x射线而不是可见光的优势在于x射线可以穿透细胞和组织，这意味着可以进行完整的3D重建，而光学显微镜只能穿透薄薄的组织切片(几百微米)。

X射线断层扫描使得可以在组织样本上获得全新的透视，而在使用它时存在一些挑战。对于软组织，由于X射线仅弱吸收，组织的不同区域之间的对比度非常差。这使得难以识别组织学研究所需的细胞结构。

细胞染色
这就是Busse博士的工作发挥作用的地方。她开发了一种染色方法，该方法可以与Pfeiffer教授和他的团队开发的微米或纳米分辨率的先进x射线断层扫描技术相结合。这使得观察细胞的细胞质成为可能。该团队设计了他们的染色方法，利用伊红——一种在组织学研究中广泛使用的染料，因为它能非常有效地结合细胞质中的蛋白质和多肽。

这种新的染色方法是非破坏性的，完全符合标准的组织学技术。它允许细胞质内部和外部结构细节的可视化。随着染色方法的发展可以自动化，这项技术在临床诊断方面也有很大的潜力，未来染色方法的可定制性也有潜力。

一旦该团队成功地证明了这种技术可以用于小鼠肾脏的可视化结构，他们就展示了第一张人类肾细胞癌组织——肾脏中的癌组织的3D图像。肾癌的死亡率为40%。x射线断层摄影术不仅可以像可见光显微镜一样准确地识别癌细胞，还可以更深入地观察肿瘤，并分辨出那些虽然不是癌细胞，但已经发生了退行性变化的肾细胞。

x射线断层扫描不仅可以识别癌细胞，还可以更深入地观察肿瘤，并分辨出发生了退行性变化的肾脏细胞。

信息核
该团队继续开发新的细胞染色方案，包括一个可以用来观察细胞核的方案。细胞核是储存细胞所有遗传物质的地方，遗传物质反过来为细胞的行动和行为提供所有信息和编码。它也是细胞发生癌变时发生巨大变化的细胞亚结构之一。除此之外，细胞核在组织中的分布提供了关于疾病的许多信息。例如，组织区域细胞核数量高可能是炎症的迹象。与此相反，细胞核缺失可能代表组织死亡或组织坏死。因此，细胞核及其分布对疾病诊断和进展监测很重要。

Franz Pfeiffer教授的团队与慕尼黑工业大学的放射和病理学系合作，使用纳米分辨率的三维x射线显微镜来显示细胞核的三维图像。目前，他们正在研究如何将这一技术应用于临床。在这里，x射线的穿透能力使我们有可能看到细胞核在组织内的三维分布。

Busse博士在制作3D X射线断层扫描方面看到这些发展，可行的组织学研究是由于技术揭示了通过当前金标准组织技术无法看到的额外信息层的额外信息的能力，因此是一个重要的突破。有关多层组织的更多信息将使您可以更详细地监测疾病进展，并看到通过组织疾病的差异多远。这将为个性化医学和更好的治疗结果提供更多的选择。