Colorazione istologica virtuale dell'etichetta

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 10296 (2022) Citare questo articolo

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Le visualizzazioni istopatologiche sono un pilastro della medicina moderna e della ricerca biologica. L’oncologia chirurgica si basa esclusivamente sull’istologia postoperatoria per determinare il successo chirurgico definitivo e guidare i trattamenti adiuvanti. L'attuale flusso di lavoro istologico si basa sulla valutazione microscopica in campo chiaro dei tessuti colorati con istochimica e presenta alcune importanti limitazioni. Ad esempio, la preparazione dei campioni colorati per la valutazione in campo chiaro richiede un lungo trattamento dei campioni, ritardando gli interventi di giorni o addirittura settimane. Pertanto, esiste un urgente bisogno di metodi istopatologici migliorati. In questo articolo, presentiamo un approccio basato sull'apprendimento profondo per la colorazione istochimica virtuale senza etichetta delle immagini di telerilevamento fotoacustico ad assorbimento totale (TA-PARS) di tessuto non colorato. TA-PARS fornisce una serie di contrasti senza etichetta misurati direttamente come la dispersione e l'assorbimento totale (radiativo e non radiativo), ideali per sviluppare colorazioni H&E senza la necessità di dedurre strutture tissutali arbitrarie. Utilizziamo una rete avversaria generativa Pix2Pix per sviluppare visualizzazioni analoghe alla colorazione H&E da immagini TA-PARS prive di etichetta. Sezioni sottili di tessuto cutaneo umano sono state prima colorate virtualmente con TA-PARS, quindi sono state colorate chimicamente con H&E producendo un confronto uno a uno tra la colorazione virtuale e quella chimica. Le immagini colorate virtualmente e chimicamente abbinate uno a uno mostrano un'elevata concordanza che convalida la colorazione digitale delle immagini TA-PARS rispetto al gold standard H&E. Le immagini TA-PARS sono state esaminate da quattro patologi dermatologi che hanno confermato che sono di qualità diagnostica e che la risoluzione, il contrasto e il colore consentono l'interpretazione come se fossero H&E. L'approccio presentato apre la strada allo sviluppo dell'imaging istologico senza vetrino TA-PARS, che promette di ridurre drasticamente il tempo che intercorre tra la resezione del campione e l'imaging istologico.

L'istopatologia è lo strumento fondamentale dell'esame microscopico in molti ambiti, tra cui la diagnosi e la prognosi del cancro, l'oncologia chirurgica e la scoperta e lo sviluppo di farmaci1. La colorazione dei tessuti per l'imaging microscopico ha consentito l'esame istopatologico aiutando a distinguere la composizione dei campioni di tessuto. Il gold standard dell'imaging istologico è la microscopia in campo chiaro di preparazioni di tessuto sottile colorate fissate in formalina incluse in paraffina (FFPE), dove il set di colorazione più comune è ematossilina ed eosina (H&E). L'ematossilina colora i nuclei cellulari di blu-viola intenso, mentre l'eosina colora il citoplasma e la matrice extracellulare con sfumature rosa2.

Lo sviluppo di questi campioni FFPE colorati per la valutazione microscopica in campo chiaro si basa su un laborioso processo di fissazione, inclusione, sezionamento e colorazione3, una procedura che richiede diversi giorni per essere completata4. Questo lungo processo ha motivato l'adozione dell'istologia delle sezioni congelate (FS), una tecnica comunemente utilizzata per una rapida valutazione intraoperatoria. FS consente tempi di consegna di circa 20 min5. Tuttavia, il campionamento dei campioni per FS è limitato e comporta processi tecnici difficili. Il congelamento rapido introduce artefatti che deteriorano la morfologia cellulare, che a loro volta influenzano la diagnosi patologica dei campioni di tessuto da parte dei patologi5. A causa di queste limitazioni, le procedure istochimiche FFPE rimangono il metodo gold standard insostituibile.

La colorazione istochimica non solo ritarda la valutazione del campione, ma le fasi di preparazione del campione alterano permanentemente la composizione del tessuto con più sostanze chimiche, il che significa che i tessuti possono essere colorati solo una volta per sezione2. È necessario preparare un vetrino indipendente per ciascun contrasto di colorazione desiderato. Questa preparazione intensiva dei tessuti FFPE può ritardare la diagnosi del cancro e la valutazione dei margini per oltre una settimana, il che a sua volta ritarda il trattamento aggiuntivo e le procedure supplementari. Ciò motiva una tecnica clinicamente accettabile per fornire immagini di tipo istologico accurate, veloci e riproducibili senza etichette.