盡管乳腺癌的診斷與治療均有很大發(fā)展,，但此疾病仍然是全世界一個主要的健康問題。
現(xiàn)在,，在亞利桑那州國家大學(xué)生物設(shè)計研究所研究的一種新影像學(xué)技術(shù)可能幫助研究人員找出細(xì)胞核結(jié)構(gòu)中的細(xì)微變異,、癌癥的分子生物標(biāo)簽，從而大大提高診斷準(zhǔn)確性和由疾病早期檢測提供的預(yù)后,。
由亞利桑那州立大學(xué)高級科學(xué)家,、生物設(shè)計研究所生物標(biāo)簽發(fā)現(xiàn)自動化中心主任Deirdre Meldrum教授率領(lǐng)的團(tuán)隊對正常、良性和惡性細(xì)胞已使用第一個唯一個細(xì)胞CT (VisionGate, Inc., Phoenix, AZ)進(jìn)行檢查,，這是一個能以具真實的各向同性決議的生動三維成像細(xì)胞的專門儀器,。該技術(shù)允許檢查微妙的細(xì)胞細(xì)節(jié)，這是本質(zhì)上是二維的更傳統(tǒng)形式的顯微鏡無法達(dá)到的,。
該團(tuán)隊的研究結(jié)果發(fā)表在期刊PLoS ONE上,。
該研究中所觀察到的細(xì)胞3D動態(tài)影像揭示了細(xì)胞正常或異常情況下大量跡象痕跡,。Meldrum教授說："有暗示疾病的大量定量形態(tài)學(xué)參數(shù)可用作疾病分期與診斷的生物學(xué)標(biāo)簽,。例如，一個癌癥細(xì)胞很典型地有腫大細(xì)胞核,、核內(nèi)陷,、染色體變異和獨特的核形狀改變。"
乳腺癌是女性中最常見的癌癥,。在2011年,，估計232000例新診斷病例，39000例死于此病,。正常情況下,，8名女性中有1名將被診斷為這病。一般地,，乳腺癌開始于乳腺的導(dǎo)管（導(dǎo)管癌）或葉（葉乳腺癌）,。
目前,，惡性腫瘤的確定性臨床診斷取決于細(xì)胞核結(jié)構(gòu)的仔細(xì)檢查，這些細(xì)胞通過組織學(xué)染色制備并在顯微鏡明視野中觀察,。根據(jù)本研究主要作者Vivek Nandakumar所說,，病理學(xué)家定性地檢查細(xì)胞特征，包括細(xì)胞核大小,、形狀,、核質(zhì)比例和細(xì)胞染色質(zhì)構(gòu)造。然而,，這些觀察不涉及將促進(jìn)更準(zhǔn)確分析的定量測量,。
關(guān)于傳統(tǒng)病理學(xué)的缺點，Meldrum同意上面所述,。作為生命科學(xué)中心顯微放大的主任,，該中心是基因組科學(xué)上的NIH卓越中心，她職業(yè)生涯中的大部分時間都致力于研究細(xì)胞異質(zhì)性,、單個細(xì)胞在過渡到疾病狀態(tài)時可出差錯的方式。"在我們對單個活細(xì)胞的分析中,，我們可以定量在相同條件下從細(xì)胞到細(xì)胞的顯著變化",，Meldrum說。
該研究小組使用cell-ct檢查了三個特異類型中每一種的150個細(xì)胞,，這三個特異類型是正常,、良性纖維囊性和惡性乳腺上皮細(xì)胞。對于乳腺是否纖維化仍有爭議,，此纖維化可能是因激素變化而導(dǎo)致的,，是一種正常狀態(tài)或惡性腫瘤早期預(yù)兆。這種情況發(fā)生時,，韌帶,、疤痕、支持組織或其他纖維組織在乳腺中比脂肪組織變得更加突出,。
細(xì)胞CT是一種新型顯微鏡,，能夠以三維方式成像細(xì)胞，使用一種稱為光學(xué)投影層析成像的技術(shù),。細(xì)胞CT操作就像一個正常的CT掃描器,，但它使用光中的可見光中，而不是X射線,。為觀察所制備的細(xì)胞不放在載玻片上,，也不是懸浮在凝膠中，而是通過微毛細(xì)管管注射,，這就可以360度多個成像,。
掃描過程中通過細(xì)胞產(chǎn)生成百上千的薄切片,。這些切片，或斷層,，通過計算機(jī)軟件重新組合形成一個詳細(xì)的三維畫像,。在旋轉(zhuǎn)中所見的細(xì)胞電影精辟地揭示形狀不對稱性，是疾病診斷的一個特別有用的工具（見1）,。
研究中所檢查的三種細(xì)胞類型有四種不同核形狀,。1類細(xì)胞的細(xì)胞核細(xì)長，有明顯的凹,。2類細(xì)胞有輕微凹陷,、龐大?；谶@些形狀,，前兩類被稱為蘑菇帽形態(tài)。（2類蘑菇帽形態(tài)是所觀察的三個細(xì)胞類型中最常見的核形式,。）3類核主要是凸的形狀,，而4類核不規(guī)則和扭曲形狀，（見三維渲染圖1）,。
重要的是,，癌細(xì)胞株中的細(xì)胞顯示了最大部分的不規(guī)則，4類和2類核和具3類凸形狀細(xì)胞核的最小部分,。惡性細(xì)胞也顯示了在4類中的最大形狀異質(zhì)性,。纖維囊性細(xì)胞樣本含有最大部分的3類核和最小部分的1類核。就四種形狀而言,，最大整體形狀異質(zhì)性發(fā)生在正常細(xì)胞內(nèi),。
當(dāng)一個細(xì)胞從正常變?yōu)槔w維囊性，到惡性細(xì)胞變化時,，可以觀察到細(xì)胞和核體積增加,，雖然平均起來纖維囊性細(xì)胞有最大的核-質(zhì)體積。也可觀察到細(xì)胞結(jié)構(gòu)間區(qū)別和染色體的排列,?？偟膩碚f，研究團(tuán)隊計算了描述的細(xì)胞內(nèi)和核結(jié)構(gòu)的42個不同的三維形態(tài)和結(jié)構(gòu),。細(xì)胞CT技術(shù)能夠解決不到半微米的細(xì)胞特征,。
研究的合著者Roger Johnson，為生物標(biāo)簽發(fā)現(xiàn)自動化中心的研究實驗室經(jīng)理,，他強(qiáng)調(diào)到,，用傳統(tǒng)二維成像技術(shù)所檢查的樣本中的所觀察的細(xì)胞核細(xì)微差異，特別是惡性細(xì)胞的,，可能已經(jīng)被錯過,。因此,，用細(xì)胞CT成像的結(jié)構(gòu)取代用顯微鏡為癌癥診斷所建立的現(xiàn)有核等級。
雖然在理解細(xì)胞從正常到疾病狀態(tài)的轉(zhuǎn)化方面已取得很大進(jìn)展,，許多形式癌癥患者的治療效果仍然令人沮喪地可憐,。許多人相信，需要建立一個調(diào)查研究這種癌癥的新表,，這個領(lǐng)域已引起不同學(xué)科研究人員的興趣,。當(dāng)前研究的另一個合著者Paul Davies，是亞利桑那州立大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院的物理學(xué)家和宇宙學(xué)家,，是新國家癌癥研究所資助財團(tuán)的一部分,，專門研究癌癥的物理科學(xué)。"我們期望來源于物理科學(xué)的見解和方法將導(dǎo)致形成理解和處理癌癥的根本新觀點",，Davies說,。
該研究團(tuán)隊的結(jié)果提供了經(jīng)常標(biāo)志細(xì)胞惡性的細(xì)胞核結(jié)構(gòu)變化的一個新窗口上,。由細(xì)胞CT產(chǎn)生的無與倫比的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)有望大大改善三維核形態(tài),，該三維核形態(tài)將導(dǎo)致形成一個敏感,、特異的乳腺癌診斷核級分類,。（生物谷bioon.com）
doi:10.1371/journal.pone.0029230
PMC:
PMID:
Isotropic 3D Nuclear Morphometry of Normal, Fibrocystic and Malignant Breast Epithelial Cells Reveals New Structural Alterations
Vivek Nandakumar, Laimonas Kelbauskas, Kathryn F. Hernandez, Kelly M. Lintecum, Patti Senechal,Kimberly J. Bussey, Paul C. W. Davies, Roger H. Johnson, Deirdre R. Meldrum
Abstract Background Grading schemes for breast cancer diagnosis are predominantly based on pathologists' qualitative assessment of altered nuclear structure from 2D brightfield microscopy images. However, cells are three-dimensional (3D) objects with features that are inherently 3D and thus poorly characterized in 2D. Our goal is to quantitatively characterize nuclear structure in 3D, assess its variation with malignancy, and investigate whether such variation correlates with standard nuclear grading criteria. Methodology We applied micro-optical computed tomographic imaging and automated 3D nuclear morphometry to quantify and compare morphological variations between human cell lines derived from normal, benign fibrocystic or malignant breast epithelium. To reproduce the appearance and contrast in clinical cytopathology images, we stained cells with hematoxylin and eosin and obtained 3D images of 150 individual stained cells of each cell type at sub-micron, isotropic resolution. Applying volumetric image analyses, we computed 42 3D morphological and textural descriptors of cellular and nuclear structure. Principal Findings We observed four distinct nuclear shape categories, the predominant being a mushroom cap shape. Cell and nuclear volumes increased from normal to fibrocystic to metastatic type, but there was little difference in the volume ratio of nucleus to cytoplasm (N/C ratio) between the lines. Abnormal cell nuclei had more nucleoli, markedly higher density and clumpier chromatin organization compared to normal. Nuclei of non-tumorigenic, fibrocystic cells exhibited larger textural variations than metastatic cell nuclei. At p<0.0025 by ANOVA and Kruskal-Wallis tests, 90% of our computed descriptors statistically differentiated control from abnormal cell populations, but only 69% of these features statistically differentiated the fibrocystic from the metastatic cell populations. Conclusions Our results provide a new perspective on nuclear structure variations associated with malignancy and point to the value of automated quantitative 3D nuclear morphometry as an objective tool to enable development of sensitive and specific nuclear grade classification in breast cancer diagnosis.
