3D Histology Imaging and Image Reconstruction Methods

Abstract

Histology is commonly used in a wide range of applications. It studies the microscopic structure of different biological tissues, usually in two dimensions. However, there are different three-dimensional (3D) methods available for studying the volumetric structure of a tissue in scale of micrometres. In this thesis, the principles of three 3D histology methods are reviewed and applications of them in medical field are presented. The aim is to summarize previous studies of micro-computed tomography (micro-CT), selective plane illumination microscopy (SPIM) and serial block face scanning electron microscopy (SBF-SEM) and give an overview of the applications of each method. Since each of the methods have different physical basis and equipment, all of them have also certain characteristics and specific tissue types that are most easily imaged with them. In addition to general overview, this thesis aims to study if some of the methods have applications in breast cancer research and whether they could be useful when breast cancer is diagnosed. Based on the literature, each one of the methods is useful in their application areas and provide new information of tissue structure compared to conventional histology. The most suitable method has to be selected based on the tissue type and the target of study. The developing technology of micro-CT enables imaging of various tissue types with constantly increasing resolution. It is suitable for both hard and soft tissue types, such as bone, brain, lung or intestinal tissue. In addition, micro-CT has many promising applications in the field of breast cancer research and diagnosis. For instance, the intraoperative determination of tumour margin status would be possible by micro-CT. SPIM is particularly suitable for embryology because it allows, with certain modifications, the continuous scanning of the specimen. This allows studying, for instance, how metastases are formed in cancer. The most recent method, SBF-SEM, is especially useful in imaging of neural tissue, and it allows also visualization of intracellular structures in three dimensions. As the methods develop and become more automatic and accurate, the amount of useful applications might increase.

Histologia on menetelmä, jolla on monia käyttökohteita lääketieteessä. Se tutkii kudoksen mikroskooppista rakennetta, yleensä kahdessa ulottuvuudessa (2D). On kuitenkin olemassa useita erilaisia menetelmiä, joiden avulla voidaan tutkia kudoksen tilavuudellista rakennetta kolmessa ulottuvuudessa (3D) mikroskooppisella tasolla. Tässä kandidaatintyössä käsitellään kolmea erilaista 3D-histologian menetelmää ja niiden sovelluskohteita lääketieteessä. Työn tavoitteena on perehtyä kirjallisuusselvityksen pohjalta mikro-tietokonetomografian (engl. Micro-computed tomography, micro-CT), selektiivisen tasovalaisumikroskopian (engl. Selective plane illumination microscopy, SPIM) ja lohkopinnan sarjatasovalaisumikroskopian (engl. Serial block face scanning electron microscopy, SBF-SEM) erityispiirteisiin ja sovelluskohteisiin. Työssä muodostetaan katsaus jokaisen menetelmän perustaan ja kuvantamiseen vaadittavaan laitteistoon, sekä arvioidaan, millaisille kudostyypeille ja millaisiin sovelluskohteisiin menetelmät soveltuvat parhaiten. Lisäksi työssä tutkitaan, onko menetelmiä sovellettu rintasyövän tutkimiseen ja olisivatko ne hyödyllisiä rinta-syövän diagnosoinnissa. Kirjallisuusanalyysiin perustuen, jokainen tutkituista menetelmistä on hyödyllinen omissa sovelluskohteissaan ja mahdollistaa uudenlaisen tiedon hankkimisen kudoksen rakenteesta verrattuna perinteiseen histologiaan. Näytteeseen ja sovelluskohteeseen perustuen on valittava sopivin menetelmä. Micro-CT:n kehittyvä teknologia mahdollistaa monenlaisien kudostyyppien kuvantamisen jatkuvasti paremmalla resoluutiolla. Se sopii sekä kovien kudosten, kuten luun, että pehmytkudosten, kuten aivojen, keuhkojen ja suoliston, kuvantamiseen. Lisäksi micro-CT:llä on monia lupaavia sovelluskohteita rintasyövän tutkimisessa ja diagnosoinnissa, kuten poistetun syöpäkudoksen reuna-alueiden kuvantamisessa leikkauksen aikana. SPIM on erityisen hyvä menetelmä alkiotutkimukseen, sillä se mahdollistaa tietyin muokkauksin näytteen jatkuvan kuvantamisen, ja täten sen avulla voidaan saada lisää tietoa esi-merkiksi metastaasien muodostumisesta syövässä. Uusin menetelmistä, SBF-SEM, sopii erityisesti esimerkiksi hermokudoksen kuvantamiseen, sekä solujen sisäisten rakenteiden kuvantamiseen kolmessa ulottuvuudessa. Tulevaisuudessa menetelmiä on mahdollista kehittää entistä helppokäyttöisemmiksi ja tarkemmiksi, jolloin hyödyllisten sovelluskohteiden määrä mahdollisesti kasvaa entisestään.