Een betere kijk op de binnenkant

Om onderzoek te kunnen verrichten aan embryonaal weefsel moet er gesneden worden. Helaas komt het weefsel zelden ongeschonden uit de strijd. Om de schade te beperken zocht promovendus ir. Fons J. Verbeek van de vakgroep fysische informatica aan de faculteit Technische Natuurkunde naar oplossingen. Sleutelwoord is digitale beeldbewerking.

Een kerststol middels een computer op zijn inhoud beoordelen, dat lukt het eenvoudigst met Magnetic Resonance Imaging. Leg de lekkernij in de MRI-scanner en geen rozijn ontsnapt aan het driedimensionale computerbeeld. Een vergelijkbaar resultaat is te bereiken door de stol in plakken te snijden, deze stuk voor stuk met een digitale camera vast te leggen en in de virtuele werkelijkheid van de computer weer tot een stol aaneen te smeden. Ware het niet dat bij het snijden deuken in de plakken ontstaan, dat krenten hun plaats verliezen en spijsschijfjes onherstelbaar vervormd raken.

Toch zitten embryologen, nieuwsgierig naar de ontwikkeling van het embryo, om zo’n werkwijze verlegen. Het embryo ontwikkelt zich van bevruchte eicel tot een meercellig organisme waarvan de cellen zich al vroeg specialiseren. Niettemin beschikt elke cel over hetzelfde totale pakket aan erfelijke informatie en kan dus in principe alle denkbare taken uitvoeren. Prikkelende vragen waarop antwoorden worden gezocht zijn hierom: Hoe weet een cel dat het zich moet specialiseren tot bijvoorbeeld een levercel? Hoe wordt de specialisatie door het bondgenootschap van cellen in het gareel gehouden?
Eiwitten

De zich ontwikkelende cellen in een embryonaal orgaan verraden hun functie door specifieke eiwitten aan te maken. Deze eiwitten of ‘genexpressies’ kunnen door kleuring zichtbaar worden gemaakt. Het was aan Verbeek een proefopstelling te vervolmaken die computermodellen van embryonale organen genereert, inclusief de gekleurde genexpressies.

In deze opstelling, de ‘sectioning 3D scanner‘ gedoopt, wordt zo’n piepklein orgaan in dunne plakjes gesneden die elk met kleur behandeld worden en via een door een microscoop turende digitale camera in een pc belanden. Het resultaat laat zich op een beeldscherm in drie dimensies bewonderen.

Het bestuderen van weefsels door deze in flinterdunne plakjes of serie-coupes te snijden is niet nieuw, evenmin als het hieruit handmatig of (semi-)automatisch construeren van driedimensionale modellen. Om een orgaan ter voorbereiding op het snijden zo veel mogelijk stevigheid te geven, wordt deze gefixeerd en in een rechthoekig blok paraffine of kunststof gevat.

De instelling van de snijdikte stelt de onderzoeker echter voor een lastige keuze. Hoe dunner de plakjes, des te makkelijker ze vervormen, maar hoe dikker de plakjes, des te meer informatie verborgen blijft. Zolang deze ongelukkigerelatie niet uit de weg geruimd kan worden, moet de onderzoeker een werkbaar compromis voor lief nemen.

Coupes komen gerimpeld en gerafeld van het mes en vloeien op het dekglaasje maar ten dele uit tot hun oorspronkelijke vorm. Onderling verschillende weefselstructuren in de coupe vervormen onder invloed van de kortstondig uitgeoefende druk- en trekkrachten in verschillende mate, waardoor ongelijkmatige weefselvervormingen ontstaan.

Ook raken de coupes ten opzichte van elkaar verschoven. En heeft de onderzoeker een lange dag achter de rug, dan kan per abuis een plakje omgekeerd op het glaasje terecht komen zodat een keurig spiegelbeeld ontstaat. Een betrouwbare driedimensionale reconstructie van het oorspronkelijke orgaan, verrijkt met de zichtbaar gemaakte genexpressies, is op basis van dit materiaal een ramp. Zeker als men aan dat model zinvolle virtuele doorsnijdingen en kloppen de metingen wil uitvoeren.
Slabloon

Bij de gebruikelijke reconstructiemethoden liggen dan ook veel blunders op de loer. Getracht wordt de coupes op elkaar te passen door te letten op overeenkomende herkenningspunten als dwarsdoorsneden van aders of gelijkvormige weefselgebieden. Maar het boven elkaar plaatsen van twee aderdoorsneden in opeenvolgende coupes is geen garantie voor een kloppend resultaat.

Rekkingen in het weefsel kunnen een aderdoorsnede die met beide niets te maken heeft, abusievelijk door laten gaan voor één van deze twee. Ook het passen van gelijkvormige gebieden, denk aan de spijsschijfjes in de kerststol, kan verkeerd uitpakken. Zulke vormen nodigen makkelijk uit tot een rechte stapeling, ,,zoals kinderen blokkentorens bouwen”, aldus Verbeek. Mocht de staaf in werkelijkheid schuin hebben gelegen, dan komt de onderzoeker bedrogen uit.

Perfect passen is pas mogelijk wanneer voor elke coupe een onvervormde weergave model zou staan. En dat model bestaat. Immers, telkens voordat een coupe wordt gesneden toont het snijvlak van de orgaanhomp het ongeschonden uiterlijk van deze coupe. De crux van Verbeeks aanpak is zowel het beeld op het snijvlak als het beeld van de coupe te digitaliseren. Met dit digitale duo ligt het terrein van patroonherkenning en beeld- bewerkingstechnieken open om het vervormde beeld in het sjabloon van het oorspronkelijke beeld te drukken.

Groot voordeel is dat zodoende ook groteskere vervormingen getrotseerd kunnen worden, waardoor de snijdikte omlaag kan en het orgaan meer van zijn binnenkant prijsgeeft. De gezochte genexpressies, alleen te lokaliseren door het kleuren van de coupe, worden door de correcties automatisch op sleeptouw genomen.

Om deze correcties uit te voeren heeft Verbeek een ware software-hordenloop afgelegd. Een opsomming: hinderlijke krassen in het oorspronkelijke beeld, die als de schaduw van een luxaflex in het snijvlak getrokken zijn door microscopisch kleine braampjes aan het mes, worden vlekkeloos weggefilterd. Technieken uit de statistiek zijn gerealiseerd om de beelden van een vingerafdruk te voorzien waarmee snel en betrouwbaar de convergentie van het vervormde beeld naar hetoorspronkelijke beeld wordt beheerst. De hiertoe benodige contourherkennings-, translatie-, rotatie- en schalingstechnieken zijn een feit. Correcties aan plaatselijke vormafwijkingen kunnen worden doorberekend en laten ingedeukt weefsel als een spons terugveren. Ook spiegelingen worden probleemloos herkend en gecorrigeerd. Op het driedimensionale eindresultaat kunnen dwarsdoorsneden en andere manipulaties worden losgelaten, waarbij er keuze is uit een contour-, oppervlakte- of volumerepresentatie. Naast al dit rekengeweld is ook de fysieke opstelling in optimale staat gebracht.

Hoewel Verbeek in zijn proefschrift geen schreeuwerige claims doet over de kwaliteit van de scanner, geven de gepresenteerde toetsingen bepaald geen reden tot ongerustheid. Willekeurige doorsneden door een ingescande embryonale lever tonen een constante ruimtelijke verdeling van genexpressies, terwijl ook het gewei van bloedvaten naadloos uit één stuk blijft bestaan. Embryologen mogen zich in de handen wrijven.