Se demuestra un microscopio fotoacústico ultravioleta abierto y de alta velocidad que puede proporcionar imágenes histológicas intraoperatorias para el análisis del margen quirúrgico, incluida la configuración del sistema, la alineación óptica, la preparación de muestras y los procedimientos experimentales.
El análisis de margen quirúrgico (AME), un procedimiento esencial para confirmar la escisión completa de tejido canceroso en la cirugía de resección tumoral, requiere herramientas de diagnóstico intraoperatorias para evitar cirugías repetidas debido a un margen quirúrgico positivo. Recientemente, aprovechando la alta absorción óptica intrínseca de ADN/ARN a una longitud de onda de 266 nm, se ha desarrollado la microscopía fotoacústica ultravioleta (UV-PAM) para proporcionar imágenes histológicas de alta resolución sin etiquetado, mostrando una gran promesa como herramienta intraoperatoria para la AME. Para permitir el desarrollo de UV-PAM para SMA, aquí se presenta un sistema UV-PAM de alta velocidad y descapotable, que se puede operar de manera similar a las microscopías ópticas convencionales. El sistema UV-PAM proporciona una alta resolución lateral de 1,2 μm y una alta velocidad de imagen de 55 kHz de velocidad de línea A con escaneo de espejo galvanómetro de un eje. Además, para garantizar que las imágenes UV-PAM puedan ser fácilmente interpretadas por patólogos sin capacitación adicional, las imágenes UV-PAM originales en escala de grises están virtualmente teñidas por un algoritmo de aprendizaje profundo para imitar las imágenes estándar teñidas de hematoxilina y eosina, lo que permite un análisis histológico sin entrenamiento. Las imágenes de corte cerebral de ratón se realizan para demostrar el alto rendimiento del sistema UV-PAM abierto, lo que ilustra su gran potencial para las aplicaciones de AME.
El análisis quirúrgico del margen (AME), que requiere un examen de muestras de tejido bajo un microscopio, es un procedimiento esencial para determinar si todas las células cancerosas se extraen del cuerpo de un paciente en una cirugía de resección1. Por lo tanto, un microscopio que pueda proporcionar rápidamente imágenes histológicas es de vital importancia para que la AME evite cirugías repetidas causadas por la extirpación incompleta de las células cancerosas. Sin embargo, de acuerdo con el método estándar de oro actual basado en microscopía óptica de campo brillante, se requiere que el tejido extirpado se fije en formalina, se incruste en parafina, se seccione en rodajas delgadas (4-7 μm) y luego se tiñe con hematoxilina y eosina (H & E) antes de la obtención de imágenes, lo que lleva mucho tiempo (3-7 días) y es laborioso 2,3 . Una sección congelada es una alternativa rápida para la AME al congelar, cortar y teñir rápidamente el tejido, lo que puede proporcionar imágenes histológicas en 20-30 min4. Sin embargo, las características histológicas a menudo están distorsionadas y requieren un entrenamiento hábil, lo que dificulta la aplicabilidad de la técnica a múltiples tipos de órganos5.
Se han desarrollado técnicas de microscopía óptica que pueden proporcionar imágenes celulares sin o con unos pocos pasos de procesamiento de tejidos para la AME. Sin embargo, cada uno de ellos sufre de diferentes problemas. Por ejemplo, la tomografía de coherencia óptica6 y la microscopía de reflectancia confocal7 sufren de baja especificidad debido a su bajo contraste de dispersión intrínseca. Aunque la microscopía con excitación de superficie ultravioleta8 y microscopíade lámina de luz 9 pueden proporcionar imágenes de alta resolución y alto contraste para la AME, el procedimiento de tinción tóxica y volátil generalmente no se puede realizar en una sala de operaciones, lo que prolonga el tiempo de respuesta. La microscopía multifotónica10 y la microscopía Raman estimulada11 pueden proporcionar información rica para la AME. Sin embargo, el alto costo de los láseres ultrarrápidos requeridos que se utilizan para generar efectos no lineales impide su amplia aplicabilidad.
Recientemente, aprovechando la absorción óptica intrínseca, se ha desarrollado la microscopía fotoacústica ultravioleta sin etiquetas (UV-PAM) para proporcionar imágenes histológicas de alta resolución12. En UV-PAM, la energía de los fotones de la luz UV de excitación (por ejemplo, 266 nm) es absorbida primero por el ADN/ARN en los núcleos celulares13 y luego convertida en calor, induciendo la emisión de ondas acústicas a través de la expansión termoelástica14. Al detectar las ondas acústicas generadas, se pueden obtener imágenes BIDIMENSIONALES (2D) UV-PAM de los núcleos celulares a través de la proyección de máxima amplitud de las señales acústicas, proporcionando información histológica para SMA. Para permitir las aplicaciones clínicas de UV-PAM, se ha desarrollado un UV-PAM de alta velocidad basado en el escaneo de espejos galvanómetros para proporcionar imágenes histológicas para una muestra de biopsia cerebral (5 mm x 5 mm) en 18 min, mostrando un gran potencial en aplicaciones sensibles al tiempo15. Para validar aún más la posibilidad de UV-PAM para imágenes de tejidos gruesos, se propuso un sistema UV-PAM en modo de reflexión con un escáner de sistemas microelectromecánicos impermeable de un eje, demostrando con éxito el examen histopatológico intraoperatorio de tejidos humanos de colon y hígado16. Dado que la imagen UV-PAM original está en escala de grises, mientras que la imagen teñida de H&E estándar de oro está en colores rosa y púrpura, es difícil para los patólogos interpretar las imágenes UV-PAM directamente. Para abordar este problema, se propuso un algoritmo de aprendizaje profundo para transferir imágenes UV-PAM en escala de grises a imágenes virtuales teñidas de H&E casi en tiempo real para que los patólogos puedan comprender las imágenes sin ningún entrenamiento adicional17.
Este trabajo informa de un sistema UV-PAM abierto y de alta velocidad que se puede operar de manera similar a las microscopías ópticas convencionales, proporcionando imágenes histológicas originales en escala de grises e imágenes virtualmente teñidas asistidas por un algoritmo de aprendizaje profundo. El sistema UV-PAM toma imágenes de una rebanada de cerebro de ratón fijada en formalina e incrustada en parafina (FFPE) para demostrar la similitud entre nuestras imágenes UV-PAM prácticamente teñidas y las imágenes estándar teñidas de H&E, mostrando su potencial para aplicaciones de AME.
En resumen, se ha demostrado un sistema UV-PAM abierto y de alta velocidad para imágenes histológicas. Se presentan las instrucciones detalladas sobre la configuración del sistema, la alineación óptica, la preparación de muestras y los procedimientos experimentales. Se puede acceder al programa de adquisición de imágenes desde Github a través del enlace proporcionado en la Tabla de materiales. La resolución lateral del sistema actual es de ~1,2 μm que se ha medido experimentalmente en una publicación reciente21. Se tomó una imagen de una rebanada de cerebro de ratón para demostrar que el sistema actual puede obtener una imagen histológica dentro de los 18 minutos para un área de 5 x 5 mm2, que es un tamaño típico de biopsia cerebral22. Aunque la imagen original está en escala de grises, con la ayuda de una herramienta de tinción virtual digital habilitada por un algoritmo de aprendizaje profundo, el sistema actual puede proporcionar imágenes virtualmente teñidas casi en tiempo real, lo que garantiza una fácil adaptación para que los patólogos interpreten las imágenes. Como técnica de imagen sin etiquetas, el actual sistema UV-PAM también puede proporcionar imágenes histológicas para muestras de tejido fresco sin procesar. En una publicación anterior se han demostrado más ejemplos (incluidas muestras de tejido fresco y de sección congelada)17. Los resultados experimentales muestran el alto potencial del actual sistema UV-PAM asistido por aprendizaje profundo en aplicaciones SMA.
Una de las ventajas del sistema UV-PAM es que el sistema se implementa en modo de reflexión, lo que permite obtener imágenes de tejidos gruesos. Además, el sistema UV-PAM abierto permite colocar la muestra en la ventana de escaneo (la membrana del tanque de muestra), que tiene un funcionamiento similar al de las microscopías ópticas tradicionales. Por lo tanto, este sistema es más fácil de usar que otros sistemas que requieren que las muestras sean intercaladas por dos membranas11,14. Además, mediante el uso de un GM 1D con un láser UV de alta tasa de repetición, el sistema UV-PAM actual puede lograr una alta velocidad de imagen con una mayor rentabilidad en comparación con el sistema que utiliza excitación multifocal23.
Actualmente, la velocidad de imagen está limitada principalmente por la tasa de repetición del presupuesto de láser y fotones. Con un láser que tiene una alta tasa de repetición y alta energía de pulso, el tiempo de imagen se puede acortar aún más. Otra limitación del sistema es que la muestra solo se puede ajustar aproximadamente al plano focal de la lente del objetivo encontrando las señales de PA máximas, en lugar de mostrar una imagen en tiempo real para que los usuarios visualicen si la muestra está enfocada. Para mostrar una imagen casi en tiempo real, se puede aplicar 2D GM.
Hay dos etapas críticas en el protocolo: a) el requerimiento confocal de los focos ópticos y acústicos debe optimizarse para lograr una alta sensibilidad de detección; b) el rango de escaneo del GM en el eje x debe ser más pequeño que el punto focal acústico de la UT en forma de anillo para mantener una sensibilidad de detección alta similar (en la configuración actual, el rango de escaneo es de ~ 30 μm ±15 μm). De lo contrario, los efectos obvios de viñeteado alrededor de los bordes ocurrirían cuando se unen varias subimágenes para obtener una imagen completa.
The authors have nothing to disclose.
Los autores desean agradecer el apoyo financiero de la Comisión de Innovación y Tecnología de Hong Kong (ITS/036/19).
Alcohol | Sigma Aldrich | PHR1373 | Sample dehydration |
Amplifier | Mini Circuit | ZFL-500LN-BNC+ | Ultrasonic signal amplification |
Controller | National Instruments | NI myRIO | System controller |
Data acquisition card | Alazar Technologies | ATS9350 | Ultrasonic signal collection |
Deep-learning algorithm | For transfering the grayscale UV-PAM image to a virtual H&E-stained image; https://github.com/TABLAB-HKUST/Deep-PAM | ||
Formalin | Sigma Aldrich | R04586 | Sample fixation |
H&E staining kit | Abcam | ab245880 | Sample staining |
Histo-Clear II | National Diagnostics | HS-202 | Sample deparaffinization |
Image acquisition program | National Instruments | LabVIEW | Lab-built program using LabVIEW; https://github.com/TABLAB-HKUST/LabVIEW-program-for-UV-PAM |
Image processing algorithm | Mathworks | MATLAB | Lab-built algorithm using MATLAB; https://github.com/TABLAB-HKUST/ImageRec_GM-UVPAM |
Kinematic platform mounts | Thorlabs | KM200B | Adjust the sample to be flat |
Membrane | Glad | Cling wrap | Sandwiched in sample tank |
Microscope objective lens | Thorlabs | LMU- 5X-NUV | Objective lens |
Motorized stages | Physik Instrumente | L-509.10SD00 | Scanning stages |
One-dimensional galvanometer mirror | Thorlabs | GVS411 | Fast scanning mirror |
Oscilloscope | RIGOL Technologies | DS1102E | Ultrasonic signal readout |
Phosphate-buffered saline | Sigma Aldrich | P3813 | Sample washing |
Pinhole | Edmund Optics | #59–257 | Spatial filtering |
Plano convex lens | Thorlabs | LA-4600-UV | Focusing lens |
Plano convex lens | Thorlabs | LA-4663-UV | Collimating lens |
Pulser/receiver | Imaginant | DPR300 | Pulse echo amplifier |
Q-switch diode-pumped solid-state laser | Bright Solutions | WEDGE HF 266 nm | 266-nm laser |
Ring-shaped ultrasonic transducer | University of Southern California | Ultrasonic signal detection | |
Sample holder | Lab-made | Hold the sample tank | |
Sample tank | Lab-made | Hold biological samples | |
Single-axis Z-translational stage | Thorlabs | PT1 | Manual stage |
Two-axis manual stage | Thorlabs | LX20 | Manual stage |
Water tank | Lab-made | Ultrasonic signal transmission | |
Xylene | Sigma Aldrich | XX0060 | Sample clearing |