組織学

組織学は、^{[help 1]}顕微鏡解剖学またはミクロ解剖学 としても知られ、^[1]生物組織の顕微鏡解剖を研究する生物学の分野です。^{[2] [3] [4] [5]組織学は、}顕微鏡なしで見えるより大きな構造を調べる肉眼解剖学の顕微鏡的対応物です。^{[5] [6]}顕微鏡解剖学は、器官学（器官の研究）、組織学（組織の研究）、細胞学（細胞の研究）に分けることができますが、現代の用法では、これらすべてのトピックが組織学の分野に分類されています。^[5]医学では、組織病理学は病変組織の顕微鏡的識別と研究を含む組織学の分野です。^{[5] [6]}古生物学の分野では、古組織学という用語は化石生物の組織学を指します。^{[7] [8]}

動物組織には、筋組織、神経組織、結合組織、上皮組織の4つの基本的なタイプがあります。^{[5] [9]すべての動物組織は、これら4つの主要な組織のタイプのサブタイプであると考えられています（たとえば、血液は、血球が}細胞外マトリックスである血漿に浮遊しているため、結合組織に分類されます）。^[9]

植物の場合、その組織の研究は植物解剖学の分野に属し、主に次の 4 つの種類があります。

• 真皮組織
• 血管組織
• 粉砕組織
• 分裂組織

組織病理学は組織学の一分野であり、病変組織の顕微鏡的同定と研究が含まれます。^{[5] [6]}癌やその他の疾患の正確な診断には組織サンプルの組織病理学的検査が必要になることが多いため、組織病理学は解剖病理学と外科病理学の重要な部分です。^[10]訓練を受けた医師、多くの場合は免許を持つ病理学者が組織病理学的検査を行い、観察に基づいて診断情報を提供します。

顕微鏡検査用の組織の準備を含む組織学の分野は、組織技術士として知られています。検査用の組織学的標本を準備する訓練を受けた人員の職名は数多くあり、組織技術者、組織技術者、^[11]組織学技術者および技術者、臨床検査技師、生物医学科学者などが含まれます。

ほとんどの組織学的サンプルは顕微鏡観察の前に準備が必要であり、これらの方法は標本と観察方法によって異なります。^[9]

化学固定剤は組織や細胞の構造を保存・維持するために使用されます。固定により組織が硬化し、顕微鏡下での観察に必要な組織の薄片を切断しやすくなります。^{[5] [12]}固定剤は通常、タンパク質を不可逆的に架橋することで組織（および細胞）を保存します。^[12]光学顕微鏡で最も広く使用されている固定剤は、10％中性緩衝ホルマリン、またはNBF（リン酸緩衝生理食塩水中の4％ホルムアルデヒド）です。^{[13] [12] [9]}

電子顕微鏡で最も一般的に使用される固定液はグルタルアルデヒドで、通常はリン酸緩衝生理食塩水中の2.5%溶液として使用されます。^{[9]電子顕微鏡で使用されるその他の固定液には}、四酸化オスミウムや酢酸ウラニルがあります。^[9]

これらのアルデヒド固定剤の主な作用は、ホルムアルデヒドの場合はメチレン架橋（-CH ₂ -）の形成、グルタルアルデヒドの場合はC ₅ H _{10架橋の形成によって、タンパク質中のアミノ基を架橋することです。このプロセスは、細胞と組織の構造的完全性を維持しますが、タンパク質、特に}酵素の生物学的機能を損なう可能性があります。

ホルマリン固定は、mRNA、miRNA、DNAの分解、ならびに組織中のタンパク質の変性および修飾を引き起こす。しかし、適切なプロトコルを使用することで、ホルマリン固定パラフィン包埋組織からの核酸およびタンパク質の抽出および分析は可能である。^{[14] [15]}

選択とは、元の組織塊全体をさらに処理する必要がない場合に、関連する組織を選択することです。残りは、後で検査する必要がある場合に備えて固定されたままにしておくことができます。

トリミングとは、組織サンプルを切断して、後で切片を作成するために適切な表面を露出させることです。また、カセットに収まる適切なサイズの組織サンプルも作成します。^[16]

組織は、支持体として、また薄い組織切片を切断できるようにするために、より硬い媒体に包埋される。^{[9] [5]}一般的に、まず組織から水分を除去し（脱水）、直接凝固する媒体、または包埋媒体と混和性のある中間流体（透明化）に置き換える必要がある。^[12]

光学顕微鏡では、パラフィンワックスが最も頻繁に使用される包埋材料です。^{[12] [13]}パラフィンは生物組織の主成分である水と混ざらないため、一連の脱水工程で最初に除去する必要があります。^[12]サンプルは、残留水分を除去するために、最大100%エタノールまで、段階的に濃度を高くする一連のエタノール浴に移されます。 ^{[9] [12]}脱水に続いて、アルコールを除去しワックスと混ざる透明化剤（通常はキシレン^[13]ですが、他の環境に安全な代替品も使用されています^[13]）が使用され、最後に溶融パラフィンワックスが追加され、キシレンが置き換えられ、組織に浸透します。^[9]ほとんどの組織学または組織病理学の研究室では、脱水、透明化、ワックス浸透は、このプロセスを自動化する組織プロセッサで実行されます。^[13]パラフィンに浸した組織はワックスを詰めた型の中で配向され、配置された後ワックスは冷却され、ブロックと組織が固まります。^{[13] [12]}

パラフィンワックスは、非常に薄い切片（特に電子顕微鏡検査で重要）を切断するのに十分な硬さのマトリックスを常に提供するわけではありません。^[12]パラフィンワックスは組織に対して柔らかすぎる場合もあり、溶けたワックスの熱が組織を望ましくない形で変化させたり、脱水または透明化化学物質が組織を損傷したりすることもあります。^{[12]パラフィンワックスの代替品には、}エポキシ、アクリル、寒天、ゼラチン、セロイジン、その他の種類のワックスがあります。 ^{[12] [17]}

電子顕微鏡ではエポキシ樹脂が最も一般的に使用される包埋媒体ですが^{[9] 、特に}免疫組織化学が必要な場合にはアクリル樹脂も使用されます。

凍結状態で組織を切断する場合、組織は水性包埋媒体に入れられます。事前に凍結された組織は、通常は水性グリコール、OCT、TBS、クライオジェン、または樹脂などの液体包埋材料とともに鋳型に入れられ、その後凍結されて硬化したブロックを形成します。

光学顕微鏡では、ミクロトームに取り付けられたナイフを使用して、ガラス顕微鏡スライドに取り付けられた組織切片（通常、厚さ5〜15マイクロメートル）を切断します。^{[9]透過型電子顕微鏡（TEM）では、}ウルトラミクロトームに取り付けられたダイヤモンドまたはガラスのナイフを使用して、厚さ50〜150ナノメートルの組織切片を切断します。^[9]

研究や臨床研究を主な目的とした、振動式ミクロトーム（通称ビブラトーム）を含むミク​​ロトームの製造で知られるメーカーは限られている。さらに、ライカバイオシステムズは、研究や臨床研究を目的とした光学顕微鏡関連製品の製造で知られている。^[18]

生物組織は光学顕微鏡でも電子顕微鏡でも、固有のコントラストがほとんどありません。^[17] 染色は、組織にコントラストを与えるだけでなく、特定の興味深い特徴を強調するために使用されます。染色が組織の特定の化学成分（全体的な構造ではなく）をターゲットにするために使用される場合、組織化学という用語が使用されます。^[9]

ヘマトキシリン・エオシン染色（H&E染色）は、組織の一般的な構造を示すために組織学で最も一般的に使用される染色法の1つです。^{[9] [19]ヘマトキシリンは細胞}核を青く染め、酸性染料であるエオシンは細胞質やその他の組織をピンク色の異なる色で染めます。 ^{[9] [12]}

一般的な染色として使用されるH&E染色とは対照的に、細胞、細胞成分、および特定の物質をより選択的に染色する技術は数多くあります。^[12] 特定の化学物質を標的とする一般的な組織化学技術は、ヘモクロマトーシスなどの疾患における鉄沈着物^{[12]を明らかにするために使用される}パールズのプルシアンブルー反応です。ニッスル物質のニッスル法やゴルジ法（および関連する銀染色）は、ニューロンの識別に役立ち、より特異的な染色の他の例です。^[12]

組織放射線撮影では、スライド（組織化学的に染色されている場合もある）をX線撮影する。より一般的には、オートラジオグラフィーは、トリチウム標識チミジンを取り込んだS期（DNA複製中）の細胞や、 in situハイブリダイゼーションで放射性標識核酸プローブが結合する部位など、放射性物質が体内で輸送された場所を視覚化するために使用される。顕微鏡レベルのオートラジオグラフィーでは、通常、スライドを液体の核領域乳剤に浸し、これを乾燥させて露光フィルムを形成する。フィルム内の個々の銀粒子は、暗視野顕微鏡で視覚化される。

最近、抗体はタンパク質、炭水化物、脂質を特異的に視覚化するために使用されています。このプロセスは免疫組織化学と呼ばれ、染色が蛍光分子の場合は免疫蛍光と呼ばれます。この技術により、顕微鏡下で細胞の種類を識別する能力が大幅に向上しました。非放射性in situ ハイブリダイゼーションなどの他の高度な技術を免疫化学と組み合わせて、免疫蛍光や酵素結合蛍光増幅 (特にアルカリホスファターゼとチラミドの信号増幅) に使用できる蛍光プローブまたはタグを使用して特定の DNA または RNA 分子を識別することができます。蛍光顕微鏡と共焦点顕微鏡は、細胞内の詳細な情報を良好に含む蛍光信号を検出するために使用されます。

電子顕微鏡では、重金属が典型的には組織切片を染色するために使用される。^[9] 酢酸ウラニルとクエン酸鉛は、電子顕微鏡で組織にコントラストを与えるために一般的に使用される。^[9]

医学で用いられる凍結切片法と同様に、凍結切片作成法は組織学検査のために組織の切片を急速に凍結、切断、マウントする方法である。組織は通常、クライオスタットまたは凍結ミクロトームで切片化される。^[12]凍結切片はスライドガラス上にマウントされ、異なる組織間のコントラストを強調するために染色される場合がある。固定されていない凍結切片は、組織および細胞における酵素の局在を必要とする研究に使用することができる。抗体結合免疫蛍光染色などの特定の手順では組織の固定が必要である。凍結切片は、モーズ手術のように腫瘍の境界を迅速に特定するため、または手術中に偶然腫瘍が発見された場合に腫瘍の悪性度を判定するために、 腫瘍の外科的切除中に作成されることが多い。

超薄切片法は、透過型電子顕微鏡（TEM）分析用に極薄切片を作製する方法である。組織は通常、エポキシ樹脂または他のプラスチック樹脂に埋め込まれる。^[9]極薄切片（厚さ0.1マイクロメートル未満）は、超薄切片機でダイヤモンドナイフまたはガラスナイフを使用して切断される。^[12]

アーティファクトとは、通常の組織学的検査を妨げる組織内の構造または特徴のことである。アーティファクトは、組織の外観を変えたり構造を隠したりすることで組織学を妨害する。組織処理アーティファクトには、固定液によって形成された色素、^{[12] 、}収縮、細胞成分の洗い流し、異なる組織タイプにおける色の変化、組織内の構造の変化などが含まれる。例としては、切片を固定するためにゼンカー固定液を使用した後に残る水銀色素がある。 ^[12]ホルマリン固定は、酸性条件下では茶色から黒色の色素を残すこともある。^[12]

17世紀、イタリアのマルチェロ・マルピーギは顕微鏡を使って微小な生物を研究した。彼を組織学や顕微鏡病理学の分野の創始者と考える人もいる。^{[20] [21]}マルピーギはコウモリやカエルなどの動物の臓器のいくつかの部分を顕微鏡で分析した。肺の構造を研究しているときに、マルピーギは膜状の肺胞と静脈と動脈の間の毛のようなつながりに気づき、それを毛細血管と名付けた。彼の発見により、呼吸した酸素がどのように血流に入り、体に役立つかが確立された。^[22]

19世紀には組織学は独立した学問分野であった。フランスの解剖学者ザビエ・ビシャは1801年に解剖学における組織の概念を導入し、 ^[23] 「組織の研究」を意味する造語である「組織学」（ドイツ語：Histologie ）という用語は、 1819年にカール・マイヤーの著書で初めて登場した。^{[24] [25] [20]}ビシャは21の人体組織について説明しており、これらは現在組織学者が受け入れている4つのカテゴリーに含まれ得る。^[26]ビシャが役に立たないと判断した組織学における図の使用は、ジャン・クルヴェイエによって推進された。^{[27] [いつ？ ]}

1830年代初頭、プルキネは高精度のミクロトームを発明した。^[25]

19世紀には、アドルフ・ハノーバー（クロム酸塩溶液とクロム酸）、フランツ・シュルツェとマックス・シュルツェ（オスミウム酸）、アレクサンダー・ブトレロフ（ホルムアルデヒド）、ベネディクト・スティリング（凍結）によって多くの固定技術が開発されました。^[25]

標本の固定技術は、アラビアゴムを導入したルドルフ・ハイデンハイン（1824–1898）、ワックスと油の混合物を提唱したサロモン・ストリッカー（1834–1898）、そして1832年にゴムとアイシングラスの混合物を使用したアンドリュー・プリチャード（1804–1884）によって開発されました。同じ年にカナダバルサムが登場し、1869年にエドウィン・クレブス（1834–1913）は、何年もの間標本をパラフィンに埋め込んでいたと報告しました。^[28]

1906年のノーベル生理学・医学賞は、組織学者カミロ・ゴルジとサンティアゴ・ラモン・イ・カハールに授与されました。彼らは同じ画像に対する異なる解釈に基づき、脳の神経構造について相反する解釈をしていました。ラモン・イ・カハールは正しい理論で、ゴルジはそれを可能にする銀染色 法を発明したことで受賞しました。 ^[29]

生体組織学（主にMRIを使用）の技術開発に関心が集まっており、これにより医師は固定された組織サンプルからではなく、生きた患者の健康な組織と病気の組織に関する情報を非侵襲的に収集できるようになる。^{[30] [31] [32] [33]}

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