许多数据驱动的研究方法依赖于可扩展且经济实惠的从亚细胞到器官尺度的三维(3D)成像。尽管组织透明化、膨胀显微术(Expansion Microscopy, ExM)及光片显微镜(Light-Sheet Microscopy, LSM)的进展使得完整标本的高分辨率成像成为可能，但检测光学系统在样品尺寸、通量和可及性方面的可扩展性仍受到根本限制。在此，研究人员引入混合固−液光学(Hybrid Solid−Liquid Optics, HySIL)，这是一种灵活的光折射设计框架，其中一个固体光学元件与一个折射率(Refractive Index, RI)匹配液体作为连续光学系统共同实现波前校正和数值孔径(Numerical Aperture, NA)增强。研究人员将该框架实现为SCOPE和Super-SCOPE，使使用长工作距离(Working Distance, WD)空气物镜的光片显微镜(LSM)能够实现亚微米分辨率、像差校正成像。研究人员展示了跨多种生物学背景的高分辨率体积成像，包括透明化和膨胀的小鼠、蝾螈和洞穴鱼脑，人诱导多能干细胞(induced Pluripotent Stem Cell, iPSC)来源的大脑类器官，以及用于三维病理(3D Histopathology)的大型完整人体组织。通过将增强的光学性能与低成本、长工作距离和多浸没介质兼容性相结合，HySIL为下一代体积成像和数据驱动的生物发现提供了可及且可扩展的基础。
本文解读的论文《Hybrid solid−liquid optics enable scalable, high-resolution light-sheet microscopy across diverse immersion media》发表于《Nature Biotechnology》，介绍了一种名为混合固−液光学(Hybrid Solid−Liquid Optics, HySIL)的新型折射设计框架及其在光片显微镜(Light-Sheet Microscopy, LSM)上的应用设备SCOPE与Super-SCOPE，解决了传统光片显微镜检测端在高分辨率与大成像体积、多浸没介质兼容性之间难以兼得的难题。
研究背景与立项依据
当前数据驱动的生命科学研究（如蛋白质结构预测AlphaFold、计算病理学和虚拟细胞建模）亟需能对完整组织器官进行例行的亚细胞级三维体成像技术。组织透明化(Tissue Clearing)与膨胀显微术(Expansion Microscopy, ExM)提升了光学可达性，光片显微镜(LSM)因其高速、低光毒成为大体积成像主流；开源平台（OpenSPIM、mesoSPIM及投影光片显微术projected Light-Sheet Microscopy, pLSM）降低了成本。然而现有检测光学存在瓶颈：水/油浸没物镜虽可实现高数值孔径(Numerical Aperture, NA)与亚微米分辨，但工作距离(Working Distance, WD)短、昂贵、折射率(RI)校正范围窄且仅适配特定浸没介质；普通长WD空气物镜成本低、WD长，但在高RI透明化介质中引入严重球差(Spherical Aberration)、光子收集效率低及分辨率下降，只能达细胞级分辨。已有校正手段（自适应光学、定制半月板透镜SIMlens、特殊校正空气物镜）或系统专用、或需定制、或昂贵，无法普适兼顾低成本、长WD、多浸没兼容与亚细胞分辨，尤其ExM后样品尺寸放大更突显此矛盾，因此需新检测光学方案。
主要关键技术方法
研究人员开展Zemax光学仿真评估HySIL框架下不同透镜（平凸透镜、双凸透镜、半月板透镜）在RI匹配与失配下的点扩散函数(Point Spread Function, PSF)、均方根(Root Mean Square, RMS)波前误差及斯特尔比(Strehl Ratio)；制作SCOPE模块（熔凝石英平凸透镜RI≈1.46 + Cargille RI匹配浸油RI≈1.46形成连续固−液系统，Super-SCOPE采用魏尔斯特拉斯(Weierstrass)超半球几何）；用150 nm金纳米颗粒及200 nm荧光微球实测宽场与LSM模式下PSF全宽半高(Full Width at Half Maximum, FWHM)；将SCOPE集成至自建pLSM及商业化SLICE系统；样本涵盖小鼠Thy1−GFP脑切片经ExM处理、洞螈(Pleurodeles waltl)全脑ExM抗酪氨酸羟化酶(Tyrosine Hydroxylase, TH)染色、fosTRAP2−tdTomato转基因小鼠全脑CUBIC-R透明化、墨西哥脂鲤(Astyanax mexicanus)全脑iDISCO+透明化核染TO-PRO-3、人iPSC来源皮质类器官共培养小胶质细胞抗IBA1染色、人乳腺正常/癌组织荧光H&E类似物标记(TO-PRO-3/ eosin)经ECi(Ethyl Cinnamate)透明化；数据经BrightSLICE拼接、ImageJ/Fiji及Neurolucida 360分析、Allen Brain Atlas配准与NeuroInfo量化。
研究结果
Design and theoretical validation of SCOPE and Super-SCOPE（SCOPE与Super-SCOPE的设计与理论验证）
通过Zemax仿真对比空气物镜在空气中、浸没介质中、SCOPE及Super-SCOPE配置下的惠更斯PSF、衍射包围能量与RMS波前误差。结果表明HySIL框架使SCOPE与Super-SCOPE大幅降低球差，趋近衍射极限，有效NA分别提升约n倍与n2倍；在样本RI 1.38−1.54、厚度2−6 mm范围内SCOPE的RMS波前误差低于或接近Maréchal判据(λ/14)，对RI变化鲁棒性强；不同透镜几何（平凸、双凸、半月板）在RI匹配下均获相似像质提升，证明HySIL是通用折射框架，光学性能主要由RI匹配混合构型决定而非特定透镜形状；温度引起浸油RI微小漂移时系统仍保持良好性能。CAD模型显示SCOPE可模块化集成至pLSM平台。
Experimental validation of SCOPE through PSF characterization（通过PSF表征实验验证SCOPE）
用Mitutoyo ×10/0.28 NA/34 mm WD与×5/0.14 NA/长WD空气物镜搭配SCOPE（熔石英平凸透镜R=27.5 mm + RI≈1.46浸油）成像嵌入0.5%琼脂糖的150 nm金纳米颗粒与200 nm荧光微球。结果显示SCOPE校正了多毫米视野内的球差，检测信号强度高于常规空气浸没配置；×10物镜横向分辨约0.75 μm、轴向FWHM约11 μm，×5物镜横向约1.2 μm、轴向约18 μm，优于空气物镜空气衍射极限（Abbe极限），接近平价浸没物镜表现；Super-SCOPE进一步缩小横向与轴向PSF。集成至pLSM后在光片照明下PSF量化一致，多通道（455 nm/520 nm/640 nm）保持色差校正，最深可至1 cm深度、视场达2.6 mm仍具高分辨，确认长WD空气物镜借助HySIL可实现大体积亚微米分辨。
Integration of ExM with SCOPE for large-volume, nanoscale imaging（ExM与SCOPE整合用于大体积纳米级成像）
优化ExM浸没液（65−85%甘油 + >2.5 mg ml−1DABCO）与石英比色皿(RI≈1.46)挂载以平衡光学性能与组织完整性。约2.45倍膨胀的Thy1−GFP小鼠脑切片经SCOPE−pLSM成像可清晰分辨树突棘与细微神经突起，数据集兼容自动神经元与树突棘追踪重建；洞螈全脑经ExM（约2.5倍膨胀、抗TH染色）同样获全脑多巴胺能系统高分辨体成像及区域精细解剖特征。表明HySIL使长WD空气物镜能对大膨胀组织做可扩展高分辨成像，ExM−SCOPE联用提供器官尺度纳米映射的实用路径。
SCOPE enables multi-immersion imaging across diverse clearing methods（SCOPE实现跨多种透明化方法的多元浸没成像）
仿真提示SCOPE(RI≈1.46)在样品RI 1.33−1.54范围均有效。实验验证：RI≈1.33的0.5%琼脂糖包埋多色荧光微球可深达1 cm彩色校正成像；CUBIC-R透明化(RI≈1.51) fosTRAP2−tdTomato小鼠全脑获整个厘米级脑高对比无像差成像，可配准Allen Brain Atlas并自动分割量化tdTomato+神经元；iDISCO+透明化(RI≈1.56)墨西哥脂鲤全脑TO-PRO-3核染成像可分辨单细胞核乃至密集标记区；人iPSC皮质类器官共培养小胶质细胞抗IBA1染色成像可见变形虫状、杆状及分支状等多形态小胶质细胞。证实单一SCOPE硬件无需调整即适配水相至有机溶剂基透明化介质的多浸没兼容成像。
Scalable high-resolution 3D histopathology with SCOPE（利用SCOPE开展可扩展高分辨率三维病理）
人乳腺冰冻标本经荧光H&E类似物（TO-PRO-3染核、eosin染胞质）标记、ECi(RI≈1.56)透明化后用SCOPE−pLSM双通道采集，假着色转换为常规H&E外观。正常乳腺成像可解析终末导管小叶单位(Terminal Duct-Lobular Units, TDLUs)树状宏观构筑及腺泡内亚细胞结构；乳腺癌组织成像可捕捉侵袭性癌伴纤维化灶特征，包括异常核形态、纤维化灶及正常/破坏架构，与同一标本传统2D H&E切片诊断特征吻合。证明SCOPE可作可扩展台式方案实现完整大块人体组织核级分辨3D病理，保留传统切片丢失的空间背景。
讨论（结论部分翻译）
研究人员提出了一种混合固−液光学(HySIL)框架，通过折射率匹配将固体光学元件与液体介质整合为连续光学系统以实现精密波前控制，结合长工作距离空气物镜使大标本的像差校正高分辨三维成像成为可能。基于此框架实现的模块化装置SCOPE与Super-SCOPE可便捷集成入开源或商用光片显微镜(LSM)平台（含低成本pLSM系），实现对大体积样品的亚细胞级可扩展成像。HySIL具普适性，支持多透镜几何形状RI匹配配对。不同于依赖多重折射界面且需严格RI匹配的半月板透镜方案（如SIMlens），HySIL消除内部折射不连续，降低RI失配敏感度、提升性能并允许多几何灵活实施，光学表现主要由混合折射构型而非特定透镜设计决定。Super-SCOPE基于Weierstrass超半球几何获n2倍有效数值孔径(NA)缩放，天然受HySIL支持。SCOPE对样品折射率(RI)变化（1.33−1.56）鲁棒，同硬件无需修改即保持跨多样品条件高性能，保留色差校正与较宽单幅可用视场（可达2.6 mm），大体积通过平铺成像与标准软件拼接获取；采集时间可控（数小时量级取决于分辨率），通量主要由底层光片平台决定。HySIL框架原则上兼容活体成像。SCOPE适于需同时获取精细细胞特征与大型空间组织之应用（全脑神经元投射作图、完整组织/类器官细胞类型分布定量），多浸没兼容性允许统一工作流处理不同透明化或膨胀方案样本，亦可作为三维病理(3D Histopathology)可扩展台式解决方案。局限与展望：HySIL增强有效NA但最终分辨与光收集仍受限于空气物镜本身NA；Super-SCOPE提供额外NA缩放但对对准与光学变化更敏感、光谱带宽受限，SCOPE为稳健广谱解而Super-SCOPE适合受控条件下需最高分辨情形，未来可优化几何或引入计算色差校正；极端RI样本可能需替代材料或浸没液配方，模块化SCOPE设计便于适配；虽在水平台式系统演示，HySIL框架与构型无关，可扩展至正置或倒置光路。
