Virtuelle Gewebe-Einfärbung in 3D
Goran Lovric vom Zentrum für Photonenforschung am PSI kombiniert künstliche Intelligenz mit Synchrotron-Bildgebung, um dreidimensionale virtuelle Einfärbungen von Gewebeproben zu erstellen.
Als Rudolf Virchow im 19. Jahrhundert seine Zelltheorie der Krankheiten formulierte, veränderte er die Medizin grundlegend: Krankheiten entstehen nicht unerklärlich im Organismus, sondern in bestimmten Zellen und Geweben. Bis heute basiert die Pathologie – die Lehre von krankhaften Veränderungen – im Kern auf der zeitintensiven Untersuchung dünner Gewebeschnitte, die eingefärbt und unter dem Mikroskop betrachtet werden.
Nun ist es einem internationalen Forschungsteam am Paul Scherrer Institut gelungen, die zweidimensionale Grenze zu überwinden. Mithilfe hochauflösender Mikro-Computertomografie (µCT) und künstlicher Intelligenz erzeugte eine Gruppe um den PSI-Physiker Goran Lovric vom Zentrum für Photonenforschung am PSI virtuelle Einfärbungen von Gewebeproben, sogenannte Histologiefärbungen. Somit müssen weder hauchdünne, empfindliche Schnitte angefertigt noch müssen diese tatsächlich eingefärbt werden. „Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass eine virtuelle Färbung auf CT-Basis ähnliche Ergebnisse liefern kann wie die konventionelle Labor-Histologie“, erklärte Lovric. „Dies eröffnet eine Fülle an klinischen und wissenschaftlichen Anwendungsmöglichkeiten.“
Die Forschenden kombinierten hochauflösende Phasenkontrast-Mikro-CT (PCµCT) mit Methoden des maschinellen Lernens. Das System trägt den Namen „VISTACT“ – kurz für „Virtual Staining of micro-Computed Tomography“. Während klassische Computertomografie vor allem Unterschiede in der Röntgendichte misst, nutzt die Phasenkontrast-Mikro-CT zusätzliche Informationen in der Strahlung und erreicht dadurch eine deutlich bessere Darstellung von Weichgewebe. So lassen sich selbst feine anatomische Strukturen dreidimensional und im Mikrometerbereich sichtbar machen – bislang allerdings nur in Graustufen. In der Pathologie sind Fachpersonen jedoch darauf trainiert, typische Farbkontraste klassischer Histologiefärbungen zu interpretieren: Zellkerne erscheinen blauviolett, Kollagen rosa, elastische Fasern dunkel. In grauen CT-Datensätzen gehen viele dieser visuellen Orientierungspunkte verloren.
Mehr zu Computertomografie
Röntgenblick in die Steinzeit
Schärferer Blick mit Dunkelfeld-CT
Bauteile vermessen leicht gemacht
„Wir wollten deshalb die vertraute Farbwelt der Histologie auf dreidimensionale CT-Daten übertragen“, erklärt Lovric. Dafür trainierten die Forschenden eine spezialisierte KI mit Paaren aus echten histologischen Schnitten und den dazugehörigen CT-Aufnahmen. Die KI lernte auf diese Weise, welche mikroskopischen Muster typischerweise welche Einfärbung erhalten. Anschließend konnte sie neue CT-Daten virtuell einfärben – quasi eine automatische Übersetzung zwischen zwei Bildwelten.
Ein entscheidender technischer Schritt war dabei die präzise Zuordnung der Bilder. Histologische Schnitte sind nur wenige Mikrometer dick und können beim Schneiden oder Aufziehen leicht verzogen werden. Zudem muss exakt bestimmt werden, an welcher Stelle im dreidimensionalen CT-Datensatz der jeweilige Schnitt liegt. Die Arbeitsgruppe um Lovric entwickelte dafür ein mehrstufiges Verfahren, das die entsprechende Ebene automatisch erkennt und mit den Histologiedaten abgleicht. Nach Angaben der Forschenden gelingt die räumliche Zuordnung damit deutlich präziser als mit bisherigen Standardverfahren.
Für die eigentliche virtuelle Färbung kam ein „conditional Generative Adversarial Network“ zum Einsatz – ein spezialisiertes KI-System zur Bild-zu-Bild-Übersetzung. Das Modell erhielt Graustufenbilder der Mikro-CT als Eingang und erzeugte daraus virtuelle histologische Präparate. Bemerkenswert war dabei, dass die KI nicht nur grobe Farbflächen erzeugte, sondern unterschiedliche Gewebekomponenten plausibel differenzierte: Blut in den feinen Gefäßen erschien gelblich, Kollagenstrukturen rosa, Oberflächen in der Lunge grau bis violett.
Die neue Technik kann automatisiert und deutlich schneller arbeiten als das aktuelle Vorgehen. Allerdings lässt sie sich noch nicht im Alltag in Spitälern einsetzen: Die benötigte Phasenkontrast-Bildgebung erfolgte an der TOMCAT-Strahllinie der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) am PSI. Die anfallenden Datenmengen waren enorm, und die Auflösung reichte oft noch nicht aus, um einzelne Zellkerne zuverlässig darzustellen.
Zudem bleibt virtuelle Histologie noch eine statistische Rekonstruktion: Die KI erzeugt keine echten histologischen Informationen, sondern plausible Vorhersagen auf Basis der Trainingsdaten. Diagnostische Routinequalität erreiche das Verfahren derzeit noch nicht, betont Lovric. Der „Proof of Concept“ sei jedoch erbracht – und das Verfahren prinzipiell auf die Untersuchung verschiedener Krankheiten übertragbar. [PSI / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
C. Almagro-Pérez, N. Peruzzi, C. Galambos, et al., Histology-guided 3D virtual staining of microCT-imaged lung tissue via deep learning, J. R. Soc. Interface 23 (239), 20251186, 17. Juni 2026; DOI: 10.1098/rsif.2025.1186 - SLS – Swiss Light Source, PSI Center for Photon Science, PSI, Villigen
