Kvantitativní histologie je věda, která studuje vzorce vývoje a funkce tkání pomocí kvantitativních proměnných a přísných metod testování hypotéz. Je správnější považovat kvantitativní histologii nikoli za samostatnou vědní disciplínu, ale za jakýsi vlastní přechodný stav histologie na cestě jejího vývoje od deskriptivní k exaktní vědě.
Biologická věda histologie studuje tkáně - složité mozaiky tvořené buňkami a mezibuněčnou látkou, jejíž přítomnost je charakteristická pro mnohobuněčné organismy. Lidské tkáně spadají do sféry pozornosti nejen biologie, ale i medicíny. V druhém případě se k výzkumným úkolům přidává studium patologických procesů na tkáňové úrovni a samotná disciplína se nazývá patohistologie .
Tradičně byla histologie považována za deskriptivní vědu, ale v posledních letech se aktivně mění, což je způsobeno především používáním metod kvantitativní analýzy. Takové transformace umožňují mluvit o kvantitativní histologii.
Zavedení prvků kvantitativní analýzy umožňuje efektivněji najít vztahy mezi strukturou a funkcí tkání a/nebo buněk, zlepšit přesnost získaných odhadů, snížit vliv subjektivního faktoru na výsledky analýzy a automatizovat výzkum a diagnostické postupy ( Nikoněnko, 2013 ).
Je zřejmé, že ve svém vývoji histologie opakuje cestu, kterou dříve prošla fyzika. V první fázi své existence shromažďuje věda informace o studovaných objektech. Poté jsou tyto informace klasifikovány a mezi objekty jsou empiricky vytvořeny vazby. Dále výzkumníci, snažící se vysvětlit studované jevy, začínají vytvářet matematické modely. Počátek exaktního období ve vývoji vědy lze připsat době, kdy výsledky testů matematických modelů poměrně přesně souhlasí s reálnými ukazateli.
Základy kvantitativní histologie začaly být položeny na úsvitu mikroskopického výzkumu. Předpokládá se, že první pokusy o měření buněk provedl na konci 17. století Holanďan Antoni van Leeuwenhoek, který používal zrnka písku jako standard při určování velikosti lidských erytrocytů. Později se pro taková měření začaly používat speciální opticko-mechanické přístroje, například okulár-mikrometr promítající měřící stupnici do ohniskové roviny mikroskopu nebo pohyblivá mířidla. Toto zařízení přišlo k mikroskopii z astronomie, kde jej poprvé použil William Gascoigne (1612-1644) [Vazquez, Vaquero, 2009].
Další měřicí přístroj - hemocytometr se začal používat v druhé polovině 19. století. Jednalo se o silné skleněné podložní sklíčko s vybráním ve tvaru obdélníkové komůrky, které bylo vyplněno buněčnou suspenzí. Buňky byly spočítány v komoře pod konvenčním světelným mikroskopem. Pro řešení některých problémů cytometrie se tento přístroj v současnosti používá. Jako zvláštní detail William S. Gosset, autor statistického Studentova testu, použil hemocytometr k počítání buněk pivovarských kvasnic [Gosset, 1907].
Průnik matematických metod do histologie je vidět na příkladu řešení problému interpretace měření provedených na náhodných řezech. Zde je na místě další vysvětlení. Řezy jsou nejčastěji používaným typem histologického preparátu. Ve většině případů umožňují pozorovat pouze náhodné řezy struktur, a proto je jejich správná kvantitativní analýza možná pouze při dodržení principů stochastické geometrie.
Na těchto principech jsou založeny tzv. stereologické metody, které v praxi často vedou ke kombinování snímků tkání a/nebo buněk s obrazy polí testovacích bodů nebo linií a počítání průsečíků profilů zájmových struktur s nimi. Stereologická řešení jednotlivých problémů morfometrie jsou známa již od počátku 20. století [Wicksell, 1925]. Dosud byly vyvinuty metody, které umožňují získat nezkreslené odhady počtu, objemu, plochy nebo délky mikroskopických struktur, interpretovat distribuci velikosti atd. [Howard a Reed, 1998].
Je-li hlavním nástrojem histologie mikroskop, pak v kvantitativní histologii tuto roli hraje systém analýzy obrazu, který lze zjednodušit jako mikroskop kombinovaný s počítačem. Softwarová část moderních systémů pro analýzu obrazu obsahuje desítky algoritmů zaměřených na analýzu počtu a velikosti mikroskopických struktur, topologii tkání, prostorové rozložení objektů atd.
Takové systémy jsou schopny zajistit vizuální screening histologických preparátů a například synchronizaci dat získaných při obrazové analýze s genetickými profily nádorů. Některé systémy jsou schopny přijímat diagnostická rozhodnutí, což je řadí do kategorie tzv. expertních systémů. Jsou schopni seřadit novotvary podle jejich závažnosti a dokonce předpovídat přežití pacientů [Bourzac, 2013].
Okamžik, kdy se výzkumné problémy začínají řešit pomocí matematických modelů, představuje určitou etapu ve vývoji vědní disciplíny. Jako ilustraci využití takových modelů v histologii můžeme uvést práci anglického badatele Denise Noble. V roce 1960, ještě jako student, navrhl matematický model kardiomyocytu . Její test ukázal, že změnou elektrického potenciálu v jedné buňce můžete reprodukovat rytmus srdečních kontrakcí. Později D. Noble úkol zkomplikoval přechodem k modelování srdeční tkáně a v 90. letech začaly jeho modely brát v úvahu detaily anatomické stavby srdce [Noble, 2002]. V současné době se používají k testování účinků antiarytmik.
Příkladem dalšího matematického modelu, který popisuje vývoj tkáňových struktur v prostoru a čase, je interaktivní model pankreatické organogeneze. Využívá animované rozhraní, které umožňuje vizuálně pozorovat výsledky simulace a také interakci s modelem. Žlázové buňky jsou napodobovány jako autonomní činitelé, kteří vnímají signály prostředí a reagují na ně. Animované rozhraní je založeno na enginu 3D GameStudio, komerčním softwarovém produktu používaném při vývoji počítačových her a aplikací pro virtuální realitu [Setty et al., 2008].
V současné době jsou aplikace kvantitativní histologie zaměřeny na:
● Vývoj metod pro získání objektivního hodnocení vlastností tkání a/nebo buněk.
● Hledání nových (kvantitativních) kritérií pro hodnocení funkce tkání a také markerů patologických procesů.
● Automatizace analýzy histologických preparátů. To umožňuje urychlit postupy diagnostického screeningu léků specializovanými systémy analýzy obrazu a v důsledku toho stanovit cílenou péči o pacienty.
● Vývoj algoritmů pro počítačové systémy schopné pomoci lékařům při stanovení diagnózy. Softwarová část řady takových systémů obsahuje prvky umělé inteligence, takže jsou schopny samostatně přijímat diagnostická rozhodnutí. To je možné pouze poté, co jsou kritické charakteristiky histologického vzorku prezentovány ve formě kvantitativních proměnných.
Materiály na téma kvantitativní histologie lze nalézt ve vědeckých monografiích [Glaser et al., 2007; Nikonenko, 2013 ] a periodika širokého vědeckého profilu. Existují však specializované časopisy jako Analytical and Quantitative Cytology and Histology (AQCH). Toto je oficiální publikace Mezinárodní cytologické společnosti (International Academy of Cytology) a Italské společnosti urologické patologie.
Image Analysis & Stereology je oficiální publikace International Stereological Society. Na jejích stránkách najdete materiály z morfometrie, stereologie, zpracování a analýzy obrazu, matematické morfologie, stochastické geometrie a dalších problémů.
Journal of Diagnostic Pathology je volně přístupná publikace, která existuje pouze v elektronické podobě a publikuje výzkumná data v oblasti lékařské diagnostiky. Časopis věnuje pozornost molekulárně biologickým, morfometrickým (stereologie, analýza DNA, syntaktická strukturní analýza) a komunikačním (telemedicína, virtuální mikroskopie aj.) aspektům diagnostiky.
Materiály související s kvantitativní histologií lze nalézt také ve vědeckých časopisech Microscopy Research and Technique , Journal of Microscopy , Cytometry Part A, Cytometry Part A , Cytometry Part B: Clinical Cytometry » ( Cytometry Part B: Clinical Cytometry ) atd.
| Histologie | |
|---|---|
| Histologické metody | |
| Související články | |