Nature Biotech：新型显微镜技术让3D组织成像更经济

尽管组织透明化、膨胀显微镜和光片显微镜等技术使得完整标本的高分辨率成像成为可能，但在样本尺寸、通量和普及性方面，仍受到光学系统的限制。

哥伦比亚大学领导的研究团队开发出一种新型透镜系统，有望将3D组织成像技术推向新高度，同时大幅降低成本并简化操作。

这项成果于6月9日发表在《Nature Biotechnology》杂志上。

借助完整组织的高分辨率3D图像，研究人员能够绘制神经回路、表征疾病，并训练新一代AI模型来诊断疾病。然而，由于光学系统的限制，人们无法大规模地对这些组织进行成像。

油浸物镜能提供高分辨率的图像，但它们价格昂贵，最大成像深度仅为几毫米，且需要特殊的样本制备。以空气为介质的物镜虽然能深入样本几厘米，但在配合组织透明试剂使用时，却会产生模糊的图像。

研究团队提出了一种名为HySIL（混合固液光学系统）的折射设计框架，解决了这两个问题。该方案将一个简单的曲面固体透镜与精确匹配的浸没液相结合，使二者共同构成一个连续的光学系统。

这种设计使得平价的空气透镜能够在厘米级组织范围内提供高分辨率图像，且适用于几乎所有常见的样本制备方法，无需更改硬件。

为了验证该框架，研究人员开发出一款名为SCOPE的模块化设备，可直接集成到现有的光片显微镜中。他们还开发出一款分辨率更高的版本，名为Super-SCOPE。

通讯作者、哥伦比亚大学生物科学系教授Raju Tomer表示：“通过将浸没液转变为主动光学元件而非被动填充物，我们既获得了昂贵系统的分辨率，又实现了设备成本和占地面积的优化，使其能够适用于任何场所。”

研究人员还将这些技术应用到Tomer团队2024年开发的一款紧凑型投影式光片显微镜（pLSM）中，这款显微镜目前已投入商业化应用。

他们利用pLSM-SCOPE技术对小鼠、蝾螈和洞穴鱼的完整大脑进行了神经回路绘制，对实验室培养的微型脑组织进行了成像，并对完整的人类癌症活检样本进行了新一代3D病理学分析。

由于HySIL是一个通用框架，它还适配其他类型的显微镜，包括共聚焦、双光子及其他3D成像模式。

“这项工作让3D成像更容易扩展，有望推动新一代AI模型的开发，用于疾病检测、分级和预后评估，” Tomer谈道。

数十年来，大多数组织分析都依赖于载玻片上的二维组织切片。然而，许多重要的生物学和疾病特征在三维空间中才能清晰呈现，而这项新技术恰恰实现了这一点。

哥伦比亚大学的Hanina Hibshoosh教授表示：“通过观察组织的3D图像，你能看到完整的组织结构，而不仅仅是病理学传统上所局限的横截面。”

“随着AI帮助我们分析越来越多的组织数据以进行诊断和预后，像pLSM-SCOPE这样能让此类成像技术变得经济实惠的工具将变得越来越重要。”