Anstatt das entnommene Gewebe wie bisher in dünne Scheiben zu schneiden und diese unter dem Mikroskop zweidimensional zu betrachten, können Pathologen jetzt die gesamte Gewebeprobe virtuell am Bildschirm untersuchen und beliebig drehen, um krankhafte Veränderungen zu identifizieren. Möglich ist dies durch nicht-invasive histopathologische 3D-Bildgebung. "Das Besondere an dieser Methode ist, dass sie in kurzer Zeit komplette Biopsieblöcke eines Tumors dreidimensional analysieren kann, ohne das Gewebe zu verändern oder zu zerstören. Dadurch bleibt die Probe für weitere molekularbiologische Untersuchungen nutzbar", sagt Robert Zboray, Gruppenleiter am Zentrum für Röntgenanalytik der Empa, der diese Technologie entwickelt hat.

Weltweit sind etwa 300 Millionen Menschen von Schilddrüsenkrebs betroffen. Die Tumormerkmale unterscheiden sich häufig von Patient zu Patient. Diese messbaren biochemischen und molekularen Eigenschaften eines Tumors sind die Biomarker: Diese helfen, Krebs frühzeitig zu erkennen, oder sie weisen darauf hin, wie aggressiv ein Tumor wachsen kann und auf welche Therapie er möglicherweise ansprechen wird.

Gewebeuntersuchungen

Ein großer Vorteil der 3D-Analyse ist, dass sie auch Tumormerkmale in den tieferen Gewebeschichten erfasst, die bei herkömmlichen Methoden eventuell übersehen werden. "Wenn eingekapselte Schilddrüsentumore aggressiv und schnell wachsen, brechen sie oft ins umliegende gesunde Gewebe ein und dringen sogar in Blutgefäße ein. Solche Gefäßeinbrüche sind deshalb häufig ein Hinweis auf Bösartigkeit und Schweregrad des Tumors", erklärt Zboray.

In Zusammenarbeit mit der Universität und dem Inselspital Bern haben Zboray und sein Team eine Schilddrüsentumorprobe eines kürzlich verstorbenen Patienten untersucht. Dieser Patient war vor mehr als zehn Jahren wegen eines als gutartig eingestuften Tumors hospitalisiert worden, der später in bösartiger Form erneut auftrat. "Mit der klassischen Schnittanalyse wurden Kapseleinbrüche tief im Gewebe übersehen, die wir mit unserer Methode nachträglich identifizieren konnten", so Zboray. Basierend auf dieser Erkenntnis wird nun eine Retrospektivstudie solcher Rezidivfälle durchgeführt, bei der europaweit Proben von Patienten untersucht werden, die trotz anfänglich harmloser Befunde später schwerwiegende Tumore entwickelten. Dank der großzügigen Unterstützung der Mirto Stiftung, der Spendenstiftung Bank Vontobel, der Stiftung für Forschung in Tumordiagnostik und Prävention, der Dr. Hans Altschüler Stiftung sowie vier weiterer Stiftungen kann die Studie durchgeführt werden.

Tumorforschung

Die neue 3D-Gewebeanalyse ließe sich laut Robert Zboray nahtlos in den klinischen Arbeitsablauf integrieren und könnte die herkömmliche Schnittanalyse optimal ergänzen. "Im medizinischen Alltag sind etablierte Verfahren fest verankert. Unsere Technologie soll diese Prozesse nicht stören, sondern einen zusätzlichen Nutzen bieten." Die Entwicklung neuer Technologien für die personalisierte Medizin ist auch das Ziel von "Personalized Health and Related Technologies" (PHRT), ein strategischer Forschungsschwerpunkt der Institutionen des ETH-Bereichs, in den das Projekt eingebettet ist.

Die Technologie scheint auch für weitere Tumorarten wie Prostatakrebs oder Lungenkrebs vielversprechend zu sein. Dank Förderung durch den Schweizerischen Nationalfonds (SNF) kann Zboray nun seine dreidimensionale Histologietechnik bei der Metastasenbildung von Darmkrebs testen. Zudem möchte er aufwändige molekulare Analysen durch einfachere bildgebende Verfahren ersetzen. "Wenn es uns gelingt, die molekularen ‚Fingerabdrücke‘ der krankhaft veränderten Zellfunktionen in den Tumorgeweben mit bildgebenden Texturmerkmalen im Mikrometerbereich zu korrelieren, könnten wir unsere Technologie in Zukunft direkt mit den zu Grunde liegenden genetischen Veränderungen verknüpfen", formuliert Zboray seine Vision.

Publikationen:
K. Tajbakhsh, O. Stanowska, A. Neels, A. Perren and R. Zboray: 3D Virtual Histopathology by Phase-Contrast X-Ray Micro-CT for Follicular Thyroid Neoplasms; IEEE Transactions on Medical Imaging, vol. 43, no. 7, pp. 2670–2678, July 2024, doi:10.1109/TMI.2024.3372602

K. Tajbakhsh et al.: A Comprehensive Study of Laboratory-Based Micro-CT for 3D Virtual Histology of Human FFPE Tissue Blocks; IEEE Access, vol. 12, pp. 78304–78316, 2024, doi:10.1109/ACCESS.2024.3407733.

Quelle: Empa