К

Количественная гистология

Что такое количественная гистология

Биологическая наука гистология изучает ткани — сложные мозаики из клеток и межклеточного вещества, наличие которых характерно для многоклеточных организмов. Патологические процессы в тканях организма человека интересуют также медицину, в этом случае к названию дисциплины добавляют приставку «пато» (патогистологии).

Традиционно гистологию считают описательной наукой, однако в последнее время она все шире применяет методы количественного анализа. Это позволяет говорить о количественной гистологию, которая изучает закономерности развития и функционирования тканей, используя при этом количественные данные и строгие методы проверки гипотез. Количественный подход позволяет эффективнее находить зависимости между структурой и функцией тканей и / или клеток, уменьшать влияние субъективного фактора на результаты гистологического анализа, а также автоматизировать процедуры исследования и диагностики. Количественную гистологию более корректно рассматривать не в качестве отдельной дисциплины, а как этап развития собственно гистологии [Никоненко 2013].

Очевиден тот факт, что в своем развитии гистология воспроизводит путь, уже пройденный, например физикой. На первом этапе своего существования она накапливала информацию об объектах, изучала. Затем эта информация была классифицирована, а между объектами эмпирическим путем установлены соответствующие связи. Далее исследователи, в своих попытках объяснить различные гистологические феномены, начали создавать математические модели. Соответствие результатов испытаний математических моделей показателям, определенным в реальных тканях, будет свидетельствовать о получении гистологией статуса точной науки.

История возникновения и развития дисциплины

Фундамент количественной гистологии начал закладываться еще на заре микроскопических исследований. Считают, что первые попытки измерения клеток были сделаны в конце XVII века голландцем Антони ван Левенгук (Antoni van Leeuwenhoek), который оценивал размеры эритроцитов, сравнивая их с песчинками. Со временем для таких измерений начали применять специальные оптико-механические устройства, например окуляр-микрометр, в котором измерительная шкала или визири движущихся проекуються в фокальную плоскость микроскопа. В микроскопию окуляр-микрометр попал по астрономии, где он был впервые применен Уильямом Гаскойном (William Gascoigne) (1612-1644) [Vazquez, Vaquero 2009].

Еще один измерительный прибор — гемоцитометр — начали использовать во второй половине XИX возраста. Это толстое стекло с прямоугольным углублением, которое заполняют суспензией клеток. Клетки в этом углублении подсчитывали под обычным световым микроскопом. Иногда этот прибор применяют и сейчас. В качестве интересной детали можно добавить, что Уильям С.Госсет (William S.Gosset), автор статистического теста Стьюдента, в свое время использовал гемоцитометр для подсчета клеток пивных дрожжей [Gosset, 1907].

Применение математических методов в гистологии можно иллюстрировать на примере количественного анализа структур на гистологических срезах. В большинстве ситуаций такие измерения проводят на случайных сечениях структур, поэтому корректная интерпретация полученных данных возможна только при условии соблюдения принципов стохастической геометрии. На этих принципах основаны так называемые стереологични методы, которые на практике часто сводятся к совмещению изображений тканей и / или клеток с изображениями массивов тестовых точек или линий и подсчета связей между изображениями двух типов. Стереологични решения отдельных проблем морфометрии известны еще с начала ХХ века [Wicksell, 1925]. Современные стереологични методы позволяют получать точные оценки количества, объема, площади или длины микроскопических структур и прочее [Howard, Reed, 1998].

Если главным инструментом гистологии является микроскоп, то в количественной гистологии эту роль играет система анализа изображений, которую упрощенно можно представить себе как микроскоп, соединенный с компьютером. Программная часть таких систем включает десятки алгоритмов, направленных на анализ различных количественных характеристик тканей и / или клеток. Некоторые системы анализа изображений даже способны принимать диагностические решения, относит их к категории так называемых экспертных систем [Bourzac 2013].

Применение математических моделей указывает на приобретение естественнонаучных дисциплиной состояния зрелости. В качестве иллюстрации здесь уместно вспомнить деятельность английского исследователя Дениса Нобла (Denis Noble). В 1960 году, еще когда он был студентом, Д.Нобл предложил математическую модель кардиомиоцитов. Испытания этой модели показали, что изменение электрического потенциала в отдельной клетке позволяет воспроизвести ритм сердечных сокращений. Позже исследователь усложнил задачу, перейдя к моделированию ткани сердца, а в 1990-х годах его модели начали учитывать детали анатомического строения органа [Noble, 2002]. Сейчас их используют для тестирования эффектов антиаритмичних препаратов.

Примером другой математической модели, описывающей развитие ткани в пространстве и времени, может быть интерактивная модель органогенеза поджелудочной железы. Она использует интерфейс анимации, который позволяет визуально наблюдать процесс моделирования, а также взаимодействовать с моделью. Клетки железы имитируются как автономные агенты, воспринимают сигналы окружающей среды и соответствующим образом реагируют на них. Интерфейс базируется на движке 3D GameStudio — коммерческом программном продукте, который используют при разработке компьютерных игр и программ виртуальной реальности [Setty et al., 2008].

Современные применения дисциплины

Современные применения количественной гистологии направлены на:

Разработку новых методов, позволяющих избавиться высокой вариабельности оценок, полученных различными исследователями.
Нахождение новых критериев оценки функции тканей, а также маркеров патологических процессов.
Автоматизацию работы систем, которые осуществляют диагностический скрининг препаратов, позволяет ускорять получение соответствующих данных и назначения целевой помощи пациентам.
Разработку алгоритмов для компьютеризированных систем, способных помочь врачу в постановке диагноза. Программная часть таких систем может включать элементы искусственного интеллекта.

Публикации и издания

Материалы, посвященные тематике количественной гистологии, можно найти в научных монографиях [Glaser et al., 2007; Никоненко 2013] и периодических изданиях широкого научного профиля. Однако, существуют и специализированные журналы, такие как Analytical and Quantitative Cytology and Histology. Это официальное издание Международного цитологическое Общества (International Academy of Cytology) и Итальянского Общества Уропатологив (Italian Society of Urologic Pathology). Журнал Image Analysis & Stereology является официальным изданием Международного Стереологичного Общества. На его страницах можно найти материалы, посвященные морфометрии, стереологии, обработке и анализу изображений, математической морфологии, стохастической геометрии и другим вопросам.

Журнал Diagnostic Pathology представляет собой издание открытого доступа, которое существует исключительно в электронной форме и публикует данные исследований в области медицинской диагностики. Журнал уделяет внимание молекулярно-биологическим, морфометрические (стереологии, анализа ДНК, Синтактный структурному анализу) и коммуникационным (телемедицине, виртуальной микроскопии и прочем) аспектам диагностики. Материалы, имеющие отношение к количественной гистологии, можно найти на страницах научных журналов Microscopy Research and Technique, Journal of Microscopy, Cytometry Part A, Cytometry Part B: Clinical Cytometry и других.

Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Проверьте также
Закрыть
Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть