Изучение заболеваний на всех уровнях, от клеток до целых систем, имеет решающее значение для точной диагностики и эффективных медицинских исследований. Однако традиционные визуализации патологий предлагают лишь плоский, одноплоскостной вид, зачастую не позволяя понять всю сложность биологических систем. В этой статье мы рассмотрим, как 3D-модели патологии преодолевают ограничения двухмерной визуализации и способствуют прогрессу в сфере здравоохранения.

Что такое 3D-модель патологии?

3D-модели патологии - это современные медицинские представления, позволяющие исследователям и практикующим врачам изучать заболевания и расстройства в трех измерениях. Такой подход обеспечивает более полное и реалистичное представление по сравнению с традиционной двухмерной визуализацией.

Такие модели отражают всю сложность биологических систем, включая пространственные отношения между клетками, тканями и структурами. Более широкая перспектива позволяет глубже понять механизмы заболеваний и потенциальные методы лечения.

Существуют различные типы моделей патологии, и каждая из них служит для определенных целей:

  • Цифровые 3D-модели: Виртуальные трехмерные изображения тканей, органов или систем, созданные с помощью передовых методов визуализации и вычислительной реконструкции. Эти 3D-модели патологии обеспечивают детальное представление об ущербе, нанесенном болезнями.
    Одно из ключевых преимуществ таких моделей - их универсальность. Их можно превратить в учебные видеоролики и 3D-анимации для демонстрации развития заболевания или эффектов лечения, а также использовать в AR/VR-средах (хотя это еще не является стандартной практикой и требует специального оборудования/программного обеспечения и подготовки). Однако качество 3D-модели напрямую зависит от разрешения исходных данных визуализации, используемых для создания модели.
    VOKA 3D Анатомия и патология предлагает наиболее полные возможности для изучения цифровых 3D-моделей. Его высококачественные анатомические и патологические модели могут быть легко интегрированы в медицинское обучение, диагностику и планирование лечения.

  • 3D-модели in vitro: Выращенные в лаборатории культуры, которые имитируют настоящие человеческие клетки и ткани. Примеры включают органоидыОрганоподобные структуры, выращенные из стволовых клеток (например, органоиды печени или органоиды мозга), и сфероидыКомпактные скопления клеток, которые могут имитировать опухоли или пораженные ткани.
    Важно отметить, что, несмотря на свою ценность, эти модели являются упрощенными представлениями и не могут полностью воспроизводить сложные условия in vivo, такие как взаимодействие клеток и матрикса, васкуляризация и иммунные реакции. Цифровые моделиВ свою очередь, они достаточно гибкие, чтобы моделировать самые разные структуры, от целых органов до отдельных клеток и даже субклеточных компонентов.

  • 3D-печатные модели: Физические копии тканей и органов, созданные с помощью Технология 3D-печати. Цифровые 3D-модели служат чертежами, направляющими процесс печати. Небиологические 3D-печатные моделиМодели, изготовленные из таких материалов, как пластик или смола, широко используются в медицинском образовании, для общения с пациентами и в научных исследованиях. Эти модели помогают объяснить сложную анатомию, имитировать хирургические операции и тестировать медицинские приборы в научно-исследовательских учреждениях.
    Биопечатные моделиС другой стороны, для создания функциональных тканеподобных структур используются биоинъекторы, содержащие живые клетки. В первую очередь они используются в передовых медицинских исследованиях для проверки реакции на лекарства, изучения механизмов заболеваний или регенеративной медицины. Некоторые проблемы 3D-биопечати включают в себя достижение высокого разрешения для сложных микроструктур и успешную васкуляризацию больших тканей.

Ограничения двухмерных изображений при визуализации патологий

Хотя традиционные 2D-изображения остаются золотым стандартом для многих диагностических целей, особенно на клеточном уровне, более сложные случаи требуют большей глубины измерений. Вот некоторые ограничения двухмерного подхода:

Потеря пространственного контекста

Поскольку двухмерные изображения дают только плоский вид, трудно увидеть истинные пространственные отношения между клетками, тканями и органами. В исследованиях патологии это ограничение может затушевать процесс развития болезни, взаимодействие пораженных клеток или влияние структурных аномалий на окружающие ткани.

Ярким примером этого ограничения является изучение внеклеточного матрикса (ECM) - важнейшего компонента тканей, обеспечивающего физическую и биохимическую поддержку клеток. На 2D-изображениях ЭКМ выглядит слишком просто, что скрывает его сложную сеть. Поскольку ECM влияет на такие процессы, как миграция клеток, адгезия и восстановление тканей, отсутствие этих пространственных деталей может ограничить наше понимание таких заболеваний, как рак.

Ограниченное представление сложных структур

При просмотре в 2D биологические структуры, такие как кровеносные сосуды, опухоли и нейронные сети, теряют свою истинную форму и сложность. Например, опухоли часто растут непредсказуемым, нерегулярным образом, распространяясь в близлежащие ткани и создавая сложные соединения с кровеносными сосудами. Одно двухмерное изображение захватывает только одну сторону этой структуры. Ограниченный обзор затрудняет полное понимание точной формы опухоли и степени ее распространения.

Для врачей и исследователей, чтобы оценить характер роста и распространения опухоли, требуется множество двухмерных изображений, что менее эффективно и полно, чем 3D-представление.

Чрезмерное упрощение гетерогенности тканей

Патологические ткани очень неоднородны: они состоят из различных типов клеток, структур и микросреды. Однако при анализе двухмерных изображений эта сложность чрезмерно упрощается. В результате врачи могут иметь дело с неточным представлением о поведении ткани.

Если говорить об опухолях, то такие патологии могут содержать области с активным делением клеток, участки с мертвыми клетками и зоны с плотным ростом кровеносных сосудов. На двухмерном изображении эти разнообразные области можно легко упустить из виду или неверно интерпретировать, поскольку полная картина неоднородности опухоли не видна. Это может повлиять на принятие важных исследовательских и клинических решений, например, на определение степени агрессивности опухоли или ее реакции на лечение.

Как 3D-модели патологии улучшают понимание болезни

3D-модели патологий позволяют исследователям и практикам получить более детальное представление о заболеваниях. Вот как эти модели меняют подход к изучению и пониманию патологий:

Улучшение визуализации пораженных тканей и органов

3D-модели патологии позволяют изучить поврежденные системы с разных сторон и на разных уровнях. В отличие от традиционных 2D-методов, они дают полную картину, что облегчает понимание последствий различных заболеваний.

В качестве примера возьмем изучение сердечно-сосудистых заболеваний.

С помощью цифровых 3D-моделей, подобных тем, что представлены в VOKA 3D Anatomy and Pathology, медицинские работники и студенты могут визуализировать кровоток в сосудах и точно определить последствия закупорки. Например, 3D-модель патологии может продемонстрировать, как конкретный стеноз (сужение) в коронарной артерии влияет на приток крови к определенной области сердечной мышцы.

На моделях in vitro можно имитировать образование бляшек, что позволяет исследователям изучать динамику их развития и влияние на функцию сосудов. В частности, исследователи могут наблюдать, как различные напряжения сдвига внутри сосуда влияют на формирование и стабильность бляшек.

Кроме того, с помощью 3D-печати можно создавать физические копии поврежденных клапанов сердца, а хирурги смогут использовать их для тренировок и планирования индивидуальных хирургических подходов.

Упрощенное исследование взаимодействия клеток и ЭЦМ

Внеклеточный матрикс (ECM) - это не просто структурный каркас; он активно влияет на поведение клеток. Понимание взаимодействия клеток и ECM имеет решающее значение для понимания механизмов восстановления тканей, прогрессирования заболеваний (например, метастазирования рака) и разработки целевых терапий. Двумерные методы чрезмерно упрощают эту динамику и препятствуют проведению эффективных исследований.

В отличие от этого, 3D-модели патологии создают реалистичную трехмерную среду, в которой исследователи могут наблюдать и манипулировать такими ключевыми факторами, как жесткость матрикса, плотность лигандов и пористость. Например, 3D-модель опухоли может показать, как изменения жесткости ECM влияют на миграцию и инвазию раковых клеток. Повторяя условия in vivo, 3D-модели обеспечивают более точную платформу для изучения этих важнейших взаимодействий.

Динамическое моделирование динамики и поведения болезни

3D-модели могут имитировать развитие болезни в контролируемой среде, выявляя критические стадии, которые могут быть пропущены на статичных изображениях. Примеры включают:

  • Рост опухоли и метастазирование: Цифровые 3D-модели могут быть использованы для создания 3D-анимация Визуализация роста опухоли, визуализация того, как раковые клетки размножаются, вторгаются в окружающие ткани и потенциально метастазируют в отдаленные участки. Эти симуляции могут включать данные сканирования пациентов для создания персонализированных моделей развития опухоли. 3D-модели опухолей in vitro можно использовать для изучения влияния различных препаратов или терапий на рост и инвазию опухоли в режиме реального времени.

  • Распространение инфекционных заболеваний: 3D-модели могут имитировать распространение инфекций, показывая, как патогены взаимодействуют с тканями хозяина и иммунной системой. Это может помочь исследователям понять динамику развития инфекции и разработать стратегии борьбы с ее распространением.

Тестирование на реакцию на наркотики

Цифровые 3D-модели - это надежный способ проверить, как лекарства взаимодействуют с тканями в реалистичной среде.

С их помощью можно создать визуализацию диффузии, абсорбции и сопротивления лекарств в тканях. Например, 3D-модель печени можно использовать для моделирования того, как лекарство метаболизируется и распределяется в этом органе.

3D-модели in vitro позволяют исследователям в режиме реального времени наблюдать за реакцией клеток на лекарственные препараты, например, за воздействием химиотерапии на раковые клетки или влиянием нового препарата на здоровые ткани. Эти модели помогают оптимизировать дозировки и комбинации лекарств для более безопасного и эффективного лечения.

Реальное применение 3D-моделей патологий в медицине

3D-модели патологий находят широкое применение в различных областях медицины, позволяя получить новые знания, которые раньше были недоступны. Вот несколько реальных примеров того, как различные типы 3D-моделей патологии меняют жизнь к лучшему:

Онкологические заболевания

3D-модели значительно продвинули диагностику рака. A Исследование опубликовано в журнале JAMA Network Open освещает использование трехмерных медицинских моделей в онкологии, в частности при планировании робот-ассистированной лапароскопической радикальной простатэктомии (RALRP) для пациентов с раком предстательной железы.

Эти цифровые модели были созданы на основе данных предоперационной визуализации, например МРТ. В результате специалисты смогли создать высокодетализированные и точные 3D-представления простаты, окружающих тканей и самой опухоли.

Используя эти 3D-модели, хирурги могли лучше представить пространственное соотношение между опухолью и такими важными структурами, как нервы и кровеносные сосуды. Модели были даже доступны через мобильное приложение на смартфонах хирургов, с которым они могли консультироваться до и во время операции.

Неврологические расстройства

Одно из наиболее перспективных применений 3D-моделей - изучение таких патологий, как аутизм, болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона (БП). Согласно Журнал научных исследований в области биомедицины3D-органоиды мозга in vitro могут стать революционным инструментом для понимания и лечения неврологических расстройств. Эти органоиды были получены из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека (hiPSCs) и сконструированы таким образом, чтобы имитировать структуру и функции человеческого мозга.

Модели in vitro позволяют исследователям наблюдать, как аномалии в развитии мозга приводят к неврологическим расстройствам. Они также послужили платформой для тестирования потенциальных терапий, позволяя ученым оценить действие лекарств в контролируемой среде.

Сердечно-сосудистые заболевания

3D-модели патологий широко используются в диагностике и лечении сложных сердечно-сосудистых заболеваний. Такие модели создаются с помощью методов визуализации, таких как КТ и МРТ, которые затем преобразуются в цифровые 3D-модели, ориентированные на конкретного пациента, а затем печатаются. A исследование с помощью микромашин В книге рассказывается о том, как 3D-модели позволили хирургам получить точное представление об анатомии сердца пациента, включая дефекты, кровеносные сосуды и структурные аномалии.

Одним из важных применений, подробно описанных в исследовании, является использование 3D-печатных моделей сердца для планирования таких процедур, как замена аортального клапана и устранение врожденных пороков сердца. Эти модели позволяют хирургам визуализировать и моделировать процедуру до того, как они попадут в операционную, что снижает хирургические риски и улучшает результаты. Тактильная природа 3D-печатных моделей делает процесс лечения более персонализированным.

Инфекционные заболевания

3D-модели продемонстрировали огромный потенциал в повышении точности диагностики и улучшении качества обслуживания пациентов при лечении инфекционных заболеваний. Согласно BMJ Case ReportsНа ранних стадиях пандемии COVID-19 врачи использовали 3D-реконструкции компьютерных томограмм легких, чтобы лучше понять степень и распределение поражения легких вирусом. Эти 3D-модели обеспечивали детальную визуализацию инфицированных участков, позволяя точно определить степень развития и тяжести заболевания даже в тех случаях, когда традиционные методы диагностики, такие как RT-PCR, не давали результатов.

Визуализируя участки легких, пораженные COVID-19, медицинские работники могли подбирать такие мероприятия, как кислородная терапия или настройки аппарата искусственной вентиляции легких, в соответствии с конкретными потребностями каждого пациента. Кроме того, 3D-модели патологии использовались для обучения и информирования пациентов, помогая им и их семьям понять тяжесть заболевания и предлагаемые планы лечения.

ЗНАКОМЬТЕСЬ С ОПИСАНИЯМИ НАШИХ ПОСЛЕДНИХ ПРОЕКТОВ

Подведение итогов

3D-модели патологий изменили способы изучения, диагностики и лечения заболеваний. От онкологии до инфекционных заболеваний - 3D-модели зарекомендовали себя как универсальные инструменты, улучшающие медицинские исследования и клинические результаты.

Инновационные решения, такие как VOKA 3D Anatomy and Pathology, продолжают этот подход, предоставляя готовые к использованию модели патологии для медицинских работников и преподавателей. Кроме того, команда VOKA может разработать индивидуальные 3D-модели патологии с учетом индивидуальных особенностей пациента, если вам нужны наглядные материалы для обучения или общения с пациентами. С такими инструментами возможности улучшения здравоохранения безграничны.

Комментарии (0)

Отмена