X射线组织分析：以整个有机体的每个细胞为特征

组织学是一种强大的技术，用于区分正常和异常细胞和组织。在实践中，只有薄，二维切片的小型采样很容易可用于诊断。相比之下，微型CT允许全体积，三维（3D）成像的生物样品。通过优化Micro-CT，由宾夕法尼亚州立大学的Keith Cheng领导的多学科团队产生了X射线组织分析，这是一种保留组织学优势的技术，并通过去过3D来解决其缺点。这种新技术可用于在3D中以亚细胞分辨率在3D中显示组织，即使对于整个小脊椎动物，如斑马鱼。这种新工具将彻底改变我们对患病组织和生物体的细胞和组织变化的能力

诊断疾病需要科学家和医生了解细胞如何应对不同的医疗条件。从心血管疾病和癌症到癌症的每一个主要疾病都与三维显微镜细胞和组织建筑变革密切相关，典型和疾病机制的信息。研究疾病的微观异常的常见方法是称为组织学的二维方法，其中厘米尺寸的组织样品的薄片是固定的，染色以区分细胞成分，并检查异常特征。

郑博士和他的团队正在寻找一种方法，以数字和定量的方式研究整个动物模型中所有细胞类型的细胞变化。

这项强大的技术在19世纪彻底改变了生物学和药物。实际上，组织学是我们理解的基础，即所有生物都是由细胞制成的。它已被使用超过一个世纪，以使蜂窝成分和组织建筑以毫米为多种多细胞生物的厘米级组织中的。它是区分正常和异常细胞特征的强大方法，使疾病的诊断和生物学中的重要发现。宾夕法尼亚州立大学和他的生物学家，物理学家和工程师团队在宾夕法尼亚州立大学博士正在寻找一种在所有三个身体尺寸的所有人类疾病和动物模型中进行数字和定量地研究这些变化的方法 - 但没有办法要做到这一点。

克服组织学的局限性
组织学通过将组织切成小于1/200的薄片来区分单个细胞^TH.毫米厚。在实践中，在组织学中仅研究任何给定的组织样品的一小部分。因此，不可能看到完整的细胞和结构，这些细胞和结构厚于切片，或者准确地测量诸如形状或体积的三维特征。额外的限制是物理切片是不可逆转的，使得不可能在替代平面中重置部分，并且物理切割引入了组织损失和扭曲，这损害了我们在细胞水平上数字定义组织和生物的3D结构的能力。

为了克服组织学的局限性，需要一个全样本、3D版本的组织学，为我们提供科学和临床有意义的特征的全面定量和容量测量。3D组织学将使更安全的药物，更精确的诊断，更深入地了解基因，化学物质和疾病在生物学中的相互作用。

微计算断层扫描
人体内部较大的结构通常是通过一种称为计算机断层扫描(CT)的技术来可视化的。CT扫描成像在医院中应用广泛。这项技术使用x光和计算机来绘制人体内部的详细图像。它需要从数百到数千个不同角度的x射线照片来计算出3D图像。“Micro-CT”的工作原理与CT扫描相同。CT扫描可以让我们看到一毫米小的物体，而微型CT可以让我们看到1000倍小的物体，甚至是细胞的一部分。为了实现3D组织学，需要高组织对比度和高分辨率来区分和表征细胞和组织。由于在未染色的样品中对比效果不足，需要特定的金属基染色进行组织学水平对比。micro-CT的样本可以是任何生命阶段的昆虫、组织、脊椎动物胚胎和斑马鱼。

微型CT优化
理想情况下，3D组织学将允许一个人快速扫描整个生物体和组织样品的异常，并且同时使得能够从任何角度进行样品的任何部分的组织学检查。没有现有方法具有视野，分辨率和对比的必要组合。这是，直到郑博士和他的团队改编了来自半导体和成像行业的镜头和相机技术。实施这些改进将使科学家和医生在亚细胞分辨率下甚至是整个小生物的形象。

X射线组织分析
通过优化Micro-CT，Cheng博士和他的团队创建了一种3D组织学，它们称为X射线组织成分，作为视觉上的视觉和定量比较3D中的正常和异常微肿瘤的一部分。X射线组织成分可以达到组织学评价所需的分辨率，对比度和视野以及表型在整个生物中的所有细胞类型和组织中的能力。这种改进的微型CT形式保留了组织学的强度，并为完整样品体积产生了数字组织学的路径。

主要目标是实施一种能够实现大规模3D表型的技术。通过优化X射线光学，样品制备和数字工作流程，通过微型CT来源X射线组分分析。由此产生的调整增加了高吞吐量的分辨率和潜力（数据生成和集合的速度）。样品刚性地嵌入塑料中，使得它们可以保留多年而不会恶化并重新成像以进行发现，验证和再现性。它们的系统还减少了扫描期间不需要的样品运动，从而提高了图像质量。为了测试其优化的微型CT系统的潜力，Penn州立团队需要一种在实验和临床组织学中具有通常遇到的组织复杂性和样本尺寸的模型。

多种因素使斑马鱼成为发展全生物三维组织成像的有用模型。斑马鱼的宽度为一毫米到一厘米。的确，斑马鱼是一种具有多种组织的特征明确的脊椎动物模型，大约70%的人类基因在斑马鱼身上至少有一个明显对应的基因，这解释了它作为人类生物学和疾病的脊椎动物模型的普遍用途。

通过x射线组织断层扫描，郑博士和他的团队能够获得整个斑马鱼的三维数字重建。这些数字斑马鱼允许组织和细胞在整个动物的器官系统中被可视化。虽然传统组织学和组织断层扫描都具有在二维切片上区分细胞特征所需的分辨率，但只有后者能显示细长、复杂的三维组织结构，如血管、神经束和骨骼。全体积组织的数字表示为一种全新的“组织学”形式创造了机会，我们可以在任何角度或切片厚度的组织上进行数字“切割”和“再切割”。参数可以定制，以方便可视化各种组织结构。当使用x射线组织断层摄影术时，可以观察到通常组织学无法观察到的结构。例如，该团队能够研究鳃和肠道等复杂结构的特征。

表谱的计算表型
郑议员的工作意图是填补发展叫做表情的跨学科领域的临界缺口。表情是对所有生物体的完整表型的研究。表型是由基因，环境，疾病和机会之间的相互作用导致的生物体的可观察性状。任何物理特征都是表型;例如，我们的眼睛颜色是取决于我们基因的表型。营养，压力或温度和湿度是可能影响表型的环境因素的例子。疾病造成的每种症状也是一种表型。新出现的表达领域的目的是系统地确定，测量和比较生物学的表型，以了解特定表型和它们的因果遗传，环境和疾病因素之间的联系。

X射线组织分析分子可能很快用于研究厘米尺寸的生物体或组织样品中数百个细胞类型的变化。

表型包括记录有机体的观察特征。由于表型包括鉴定诊断的症状，并且了解突变表型，因此在生物学和药物中具有核心和药物的核心性重要性。由于组织学的重要性，郑博士及其团队试图扩大其在第三维中的表型的力量。以这种方式，将用于系统地研究细胞和组织架构的3D数据如何研究疾病，遗传和环境因素会影响机组表型。3D微丙片表型也将提高诊断的准确性和预后含义，可以从组织学细节的量化中受益。因为表型经常影响一个以上的器官系统，所以组织分析以检测所有细胞类型的表型的能力使其成为更完全确定表型的理想选择。在整个生物体中检查每种细胞类型是研究同源（器官尺寸和形状）和细胞尺度上的表型的理想方式。在亚细胞分辨率下，Cheng博士和越来越多的合作团队对全体组织3D成像技术共同努力，并科学和医学上有用的计算工具来检测和解释这些变化。

多种可能性和未来的方向
它的3D特性和厘米视野的结合使得x射线组织断层成像能够显示错综复杂的毫米到厘米尺度的结构，如肠道、骨骼、血管和神经束，同时保留了亚细胞分辨率检查细胞变化的能力。组织学特征通常是定性的，但科学上最有用的方法是定量的。x射线组织断层摄影术解决了这个问题，因为它可以定量地描述组织变化。组织断层成像前所未有地结合了所有细胞类型的可视化，高分辨率和规模，允许用户在整个样本的背景下分析细胞特征，如大小和形状。例如，大脑细胞的密度被计算出来，并在彩色地图上显示出同一天出生的斑马鱼兄弟姐妹之间惊人的个体表型差异。

郑博士和他的团队还证实，组织断层扫描可以用来识别病理表型并作出诊断。事实上，微小的组织病理学特征，如核碎裂已经检测到斑马鱼的遗传缺陷的DNA合成。膀胱及其微小的气动管道等小结构的缺失，由于其体积小、形状曲折，无法通过组织学证实。因为组织断层摄影术能够精确地显示整个有机体的细节，他们不仅能够确认他们的突变体从未形成那些结构，而且他们的细胞与癌症具有相同的核特征，如核异型性。

x射线组织断层摄影术可以用来研究任何毫米到厘米大小的有机体或组织样本中数百种细胞类型的变化。对三维细胞和组织结构的计算和视觉洞察将有助于参考图谱、全面的生物筛选和诊断。学生、教师和研究人员也将享受组织断层扫描的三维组织和有机体图像可以可视化、操纵和使用虚拟现实技术“切割”的事实。

目前的努力旨在增加分辨率，视野和成像速度，以及自动化表型和组织诊断。支持的计算组织分析将更好地了解基因和环境如何促进表型，并导致更健康的环境和更安全的药物。