Гистология , [помощь 1] также известная как микроскопическая анатомия или микроанатомия , [1] является разделом биологии , который изучает микроскопическую анатомию биологических тканей . [2] [3] [4] [5] Гистология является микроскопическим аналогом макроскопической анатомии , которая рассматривает более крупные структуры, видимые без микроскопа . [5] [6] Хотя можно разделить микроскопическую анатомию на органологию , изучение органов, гистологию , изучение тканей, и цитологию , изучение клеток , современное использование помещает все эти темы в область гистологии. [5] В медицине гистопатология является разделом гистологии, которая включает микроскопическую идентификацию и изучение больных тканей. [5] [6] В области палеонтологии термин палеогистология относится к гистологии ископаемых организмов. [7] [ 8]
Существует четыре основных типа тканей животных: мышечная ткань , нервная ткань , соединительная ткань и эпителиальная ткань . [5] [9] Все ткани животных считаются подтипами этих четырех основных типов тканей (например, кровь классифицируется как соединительная ткань, поскольку клетки крови находятся во взвешенном состоянии во внеклеточном матриксе , плазме ). [9]
Изучение тканей растений относится к области анатомии растений и включает четыре основных типа:
Гистопатология — это раздел гистологии, который включает микроскопическую идентификацию и изучение пораженных тканей. [5] [6] Это важная часть анатомической патологии и хирургической патологии , поскольку точная диагностика рака и других заболеваний часто требует гистопатологического исследования образцов тканей. [10] Обученные врачи, часто лицензированные патологи , проводят гистопатологическое исследование и предоставляют диагностическую информацию на основе своих наблюдений.
Область гистологии, которая включает подготовку тканей для микроскопического исследования, известна как гистотехнология. Названия должностей для обученного персонала, который готовит гистологические образцы для исследования, многочисленны и включают гистотехников, гистотехнологов, [11] техников и технологов гистологии, техников медицинских лабораторий и биомедицинских ученых .
Большинство гистологических образцов требуют подготовки перед микроскопическим исследованием; эти методы зависят от образца и метода исследования. [9]
Химические фиксаторы используются для сохранения и поддержания структуры тканей и клеток; фиксация также делает ткани более твердыми, что помогает в нарезке тонких срезов ткани, необходимых для наблюдения под микроскопом. [5] [12] Фиксаторы обычно сохраняют ткани (и клетки) путем необратимого сшивания белков. [12] Наиболее широко используемый фиксатор для световой микроскопии — 10% нейтральный буферный формалин , или NBF (4% формальдегида в фосфатном буферном растворе ). [13] [12] [9]
Для электронной микроскопии наиболее часто используемым фиксатором является глутаральдегид , обычно в виде 2,5% раствора в фосфатном буферном растворе . [9] Другими фиксаторами, используемыми для электронной микроскопии, являются тетроксид осмия или ацетат уранила . [9]
Основное действие этих альдегидных фиксаторов заключается в сшивании аминогрупп в белках посредством образования метиленовых мостиков ( -CH2- ) в случае формальдегида или посредством сшивок C5H10 в случае глутаральдегида. Этот процесс, сохраняя структурную целостность клеток и тканей, может нарушить биологическую функциональность белков, в частности ферментов .
Фиксация формалином приводит к деградации мРНК, микроРНК и ДНК, а также к денатурации и модификации белков в тканях. Однако извлечение и анализ нуклеиновых кислот и белков из фиксированных формалином и залитых парафином тканей возможны при использовании соответствующих протоколов. [14] [15]
Отбор — это выбор соответствующей ткани в случаях, когда нет необходимости подвергать всю исходную массу ткани дальнейшей обработке. Оставшаяся часть может оставаться фиксированной на случай, если ее потребуется исследовать позднее.
Обрезка — это резка образцов тканей с целью раскрытия соответствующих поверхностей для последующего разрезания. Она также создает образцы тканей соответствующего размера для размещения в кассетах. [16]
Ткани помещаются в более твердую среду как в качестве опоры, так и для того, чтобы можно было нарезать тонкие кусочки ткани. [9] [5] Как правило, сначала необходимо удалить воду из тканей (дегидратация) и заменить ее средой, которая либо затвердевает напрямую, либо промежуточной жидкостью (просветление), которая смешивается с заливочной средой. [12]
Для световой микроскопии парафиновый воск является наиболее часто используемым материалом для заливки. [12] [13] Парафин не смешивается с водой, основным компонентом биологической ткани, поэтому его необходимо сначала удалить в серии этапов дегидратации. [12] Образцы переносятся через серию ванн с постепенно увеличивающейся концентрацией этанола , вплоть до 100% этанола, чтобы удалить оставшиеся следы воды. [9] [12] После дегидратации следует очищающий агент (обычно ксилол [13], хотя используются и другие экологически безопасные заменители [13] ), который удаляет спирт и смешивается с воском, наконец, добавляется расплавленный парафин, чтобы заменить ксилол и пропитать ткань. [9] В большинстве гистологических или гистопатологических лабораторий дегидратация, очистка и инфильтрация воском проводятся в процессорах тканей , которые автоматизируют этот процесс. [13] После инфильтрации в парафин ткани ориентируются в формах, которые заполняются воском; после размещения воск охлаждается, затвердевая при этом блок и ткань. [13] [12]
Парафиновый воск не всегда обеспечивает достаточно твердую матрицу для резки очень тонких срезов (что особенно важно для электронной микроскопии). [12] Парафиновый воск также может быть слишком мягким по отношению к ткани, тепло расплавленного воска может изменить ткань нежелательным образом, или обезвоживающие или очищающие химикаты могут повредить ткань. [12] Альтернативы парафиновому воску включают эпоксидную смолу , акрил , агар , желатин , целлоидин и другие типы восков. [12] [17]
В электронной микроскопии эпоксидные смолы являются наиболее часто используемыми заливочными средами [9] , но акриловые смолы также используются, особенно там, где требуется иммуногистохимия .
Для разрезания тканей в замороженном состоянии ткани помещаются в заливочную среду на водной основе. Предварительно замороженные ткани помещаются в формы с жидким заливочным материалом, обычно это гликоль на водной основе, OCT , TBS , Cryogen или смола, которая затем замораживается для формирования затвердевших блоков.
Для световой микроскопии нож, установленный в микротоме, используется для разрезания срезов ткани (обычно толщиной от 5 до 15 микрометров ), которые устанавливаются на предметное стекло микроскопа . [9] Для просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) алмазный или стеклянный нож, установленный в ультрамикротоме, используется для разрезания срезов ткани толщиной от 50 до 150 нанометров . [9]
Ограниченное число производителей известны своим производством микротомов, включая вибрационные микротомы, обычно называемые вибратомами , в первую очередь для научных и клинических исследований. Кроме того, Leica Biosystems известна своим производством продукции, связанной со световой микроскопией в контексте научных и клинических исследований. [18]
Биологическая ткань имеет мало собственного контраста как в световом, так и в электронном микроскопе. [17] Окрашивание используется для придания контраста ткани, а также для выделения отдельных интересующих особенностей. Когда окрашивание используется для нацеливания на определенный химический компонент ткани (а не на общую структуру), используется термин гистохимия . [9]
Гематоксилин и эозин ( окраска H&E ) являются одними из наиболее часто используемых красителей в гистологии для демонстрации общей структуры ткани. [9] [19] Гематоксилин окрашивает ядра клеток в синий цвет; эозин, кислотный краситель, окрашивает цитоплазму и другие ткани в различные оттенки розового цвета. [9] [12]
В отличие от H&E, который используется в качестве общего красителя, существует много методов, которые более избирательно окрашивают клетки, клеточные компоненты и определенные вещества. [12] Обычно выполняемая гистохимическая техника, нацеленная на определенное химическое вещество, - это реакция с берлинской синью Перлза , используемая для демонстрации отложений железа [12] при таких заболеваниях, как гемохроматоз . Метод Ниссля для вещества Ниссля и метод Гольджи (и связанные с ними серебряные пятна ) полезны для идентификации нейронов, являются другими примерами более специфических красителей. [12]
В гисторадиографии предметное стекло (иногда окрашенное гистохимически) просвечивается рентгеновскими лучами. Чаще всего авторадиография используется для визуализации мест, куда радиоактивное вещество было перенесено в организме, таких как клетки в S-фазе (проходящие репликацию ДНК ), которые включают тритиевый тимидин , или мест, с которыми связываются радиоактивно меченые зонды нуклеиновых кислот при гибридизации in situ . Для авторадиографии на микроскопическом уровне предметное стекло обычно погружают в жидкую эмульсию ядерного тракта, которая высыхает, образуя экспозиционную пленку. Отдельные зерна серебра в пленке визуализируются с помощью микроскопии в темном поле .
Недавно антитела стали использовать для специфической визуализации белков, углеводов и липидов. Этот процесс называется иммуногистохимией , или, когда пятно представляет собой флуоресцентную молекулу, иммунофлуоресценцией . Этот метод значительно увеличил способность идентифицировать категории клеток под микроскопом. Другие передовые методы, такие как нерадиоактивная гибридизация in situ , можно комбинировать с иммунохимией для идентификации определенных молекул ДНК или РНК с помощью флуоресцентных зондов или меток, которые можно использовать для иммунофлуоресценции и амплификации флуоресценции, связанной с ферментами (особенно для усиления сигнала щелочной фосфатазы и тирамида). Флуоресцентная микроскопия и конфокальная микроскопия используются для обнаружения флуоресцентных сигналов с хорошей внутриклеточной детализацией.
Для электронной микроскопии тяжелые металлы обычно используются для окрашивания срезов тканей. [9] Уранилацетат и цитрат свинца обычно используются для придания контрастности тканям в электронном микроскопе. [9]
Подобно процедуре замороженных срезов, используемой в медицине, криосекционирование — это метод быстрой заморозки, разрезания и монтирования срезов ткани для гистологии. Ткань обычно разрезается на криостате или замораживающем микротоме. [12] Замороженные срезы монтируются на предметном стекле и могут быть окрашены для усиления контраста между различными тканями. Нефиксированные замороженные срезы могут использоваться для исследований, требующих локализации ферментов в тканях и клетках. Фиксация ткани требуется для определенных процедур, таких как иммунофлуоресцентное окрашивание с антителами. Замороженные срезы часто готовятся во время хирургического удаления опухолей , чтобы обеспечить быструю идентификацию краев опухоли, как в хирургии Мооса , или определение злокачественности опухоли, когда опухоль обнаруживается случайно во время операции.
Ультрамикротомия — это метод подготовки очень тонких срезов для анализа с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). Ткани обычно заливаются эпоксидной смолой или другой пластиковой смолой. [9] Очень тонкие срезы (толщиной менее 0,1 микрометра) разрезаются с помощью алмазных или стеклянных ножей на ультрамикротоме . [12]
Артефакты — это структуры или особенности в ткани, которые мешают нормальному гистологическому исследованию. Артефакты мешают гистологии, изменяя внешний вид тканей и скрывая структуры. Артефакты обработки ткани могут включать пигменты, образованные фиксаторами, [12] усадку, вымывание клеточных компонентов, изменение цвета в различных типах тканей и изменения структур в ткани. Примером может служить ртутный пигмент, оставшийся после использования фиксатора Ценкера для фиксации среза. [12] Фиксация формалином также может оставлять коричневый или черный пигмент в кислых условиях. [12]
В XVII веке итальянец Марчелло Мальпиги использовал микроскопы для изучения крошечных биологических объектов; некоторые считают его основателем областей гистологии и микроскопической патологии. [20] [21] Мальпиги проанализировал несколько частей органов летучих мышей, лягушек и других животных под микроскопом. Изучая структуру легкого, Мальпиги заметил его перепончатые альвеолы и волосовидные соединения между венами и артериями, которые он назвал капиллярами. Его открытие установило, как вдыхаемый кислород попадает в кровоток и служит организму. [22]
В 19 веке гистология была самостоятельной академической дисциплиной. Французский анатом Ксавье Биша ввел понятие ткани в анатомию в 1801 году, [23] а термин «гистология» ( нем . Histologie ), придуманный для обозначения «изучения тканей», впервые появился в книге Карла Мейера в 1819 году. [24] [25] [20] Биша описал двадцать одну человеческую ткань, которые можно отнести к четырем категориям, принятым в настоящее время гистологами. [26] Использование иллюстраций в гистологии, которое Биша считал бесполезным, было поддержано Жаном Крювелье . [27] [ когда? ]
В начале 1830-х годов Пуркине изобрел микротом с высокой точностью. [25]
В 19 веке многие методы фиксации были разработаны Адольфом Ганновером (растворы хроматов и хромовой кислоты ), Францем Шульце и Максом Шульце ( осмиевая кислота ), Александром Бутлеровым ( формальдегид ) и Бенедиктом Штиллингом ( замораживание ). [25]
Методы монтажа были разработаны Рудольфом Гейденгайном (1824–1898), который представил гуммиарабик ; Саломоном Стрикером (1834–1898), который выступал за смесь воска и масла; и Эндрю Притчардом (1804–1884), который в 1832 году использовал смесь камеди и желатина . В том же году на сцене появился канадский бальзам , а в 1869 году Эдвин Клебс (1834–1913) сообщил, что в течение нескольких лет он заливал свои образцы в парафин. [28]
Нобелевская премия по физиологии и медицине 1906 года была присуждена гистологам Камилло Гольджи и Сантьяго Рамон-и-Кахалю . У них были противоречивые интерпретации нейронной структуры мозга, основанные на различных интерпретациях одних и тех же изображений. Рамон-и-Кахаль получил премию за свою правильную теорию, а Гольджи — за технику окрашивания серебром , которую он изобрел, чтобы сделать это возможным. [29]
В настоящее время наблюдается большой интерес к разработке методов гистологии in vivo (преимущественно с использованием МРТ ), которые позволят врачам неинвазивно собирать информацию о здоровых и больных тканях у живых пациентов, а не из фиксированных образцов тканей. [30] [31] [32] [33]
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на сентябрь 2024 г. ( ссылка )Большинство из двадцати одной ткани Биша можно отнести к четырем категориям, общепринятым среди современных гистологов: эпителий, соединительная ткань, мышца и нерв. Четыре ткани Биша относятся к эпителию (эпидермоид, слизистая, серозная и синовиальная); шесть — к соединительной ткани (дермоид, фиброзная, фиброзно-хрящевая, хрящевая, костная и клеточная); две — к мышцам; и две — к нервам — различие между нервной системой, управляющей «животной» жизнью, и нервной системой, управляющей «органической» жизнью, соответствует различию между произвольной и непроизвольной нервной системой. Артерии и вены, издавна вызывающие споры, сегодня классифицируются как сложные ткани. Абсорбенты и эксгалянты (которые Биша считал открытыми сосудами) выпали или были заменены лимфатическими сосудами. Его мозговая система не имеет аналогов среди современных тканей.
Медиа, связанные с гистологией на Wikimedia Commons