光片—共聚焦多尺度3D成像在腫瘤微循環(huán)研究的應(yīng)用

腫瘤微環(huán)境（TME）的異質(zhì)性和復(fù)雜性對癌癥研究提出了巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)二維成像技術(shù)難以全面捕捉腫瘤在宏觀組織、介觀區(qū)域和細(xì)胞層面的動態(tài)特征，而單一的三維光學(xué)成像方法往往受限于分辨率或視野范圍，無法兼顧多尺度分析需求。近年來，光片顯微鏡（LSFM）和共聚焦顯微鏡（CLSM）分別憑借大視野成像和高分辨率優(yōu)勢，成為腫瘤研究的重要工具。然而，如何在同一組織樣本中實現(xiàn)兩種技術(shù)的無縫銜接，并精準(zhǔn)追蹤特定區(qū)域（ROI）的跨尺度關(guān)聯(lián)，始終是技術(shù)應(yīng)用的瓶頸。

研究通過創(chuàng)新性地結(jié)合光激活染料標(biāo)記與透明化試劑切換技術(shù)，開發(fā)了一套從全器官到細(xì)胞級的多尺度三維成像流程。該技術(shù)不僅解決了傳統(tǒng)物理切片導(dǎo)致的ROI定位偏差問題，還首次實現(xiàn)了腫瘤免疫微環(huán)境的高精度空間定量分析，為評估癌癥治療響應(yīng)和探索轉(zhuǎn)移機(jī)制提供了全新視角。

研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
腫瘤多尺度成像的迫切需求
腫瘤是由癌細(xì)胞、免疫細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞等異質(zhì)性成分構(gòu)成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，其空間分布特征直接影響疾病進(jìn)展和治療效果。例如，免疫細(xì)胞浸潤深度、血管異常結(jié)構(gòu)、壞死區(qū)域分布等宏觀特征，與特定亞區(qū)的細(xì)胞間相互作用共同決定了腫瘤的生物學(xué)行為。因此，開發(fā)能夠同時解析毫米級組織結(jié)構(gòu)和微米級細(xì)胞排列的多尺度成像技術(shù)，已成為癌癥研究的重要方向。

技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
光激活染料介導(dǎo)的ROI追蹤技術(shù)
研究的核心創(chuàng)新在于開發(fā)了一種基于紫外光激活（UVA）染料的標(biāo)記技術(shù)。這種染料在紫外光照射下會發(fā)生化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，從透明狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽仙�，從而在組織周圍的瓊脂糖凝膠上留下清晰的標(biāo)記線。這種標(biāo)記方法不僅能夠在光片顯微鏡下實現(xiàn)光學(xué)標(biāo)記，還能通過物理切割瓊脂糖凝膠保留標(biāo)記位置，確保在后續(xù)的共聚焦顯微鏡成像中準(zhǔn)確找到感興趣區(qū)域。

成像實驗與結(jié)果分析
跨尺度成像的精準(zhǔn)性驗證
為驗證ROI追蹤精度，研究團(tuán)隊將熒光微球（直徑50-200μm）嵌入瓊脂糖模擬腫瘤組織。LSFM定位微球后，通過光激活標(biāo)記和振動切片成功獲取含目標(biāo)微球的400μm厚切片，CLSM成像顯示空間坐標(biāo)偏差小于5μm。進(jìn)一步通過結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)（SSIM）和特征點匹配算法（SIFT-FLANN）分析發(fā)現(xiàn)，LSFM與CLSM的虛擬切面圖像相似度達(dá)0.68-0.89（滿分1.0），輪廓匹配誤差低于3%，證實了跨尺度數(shù)據(jù)的空間一致性。

整個腫瘤宏觀切片的高分辨率3D多路復(fù)用圖像

總結(jié)與展望
研究建立的關(guān)聯(lián)多尺度三維成像技術(shù)，首次實現(xiàn)了從整塊腫瘤組織到特定細(xì)胞群的跨層級空間解析。通過光激活標(biāo)記與可逆透明化技術(shù)的創(chuàng)新結(jié)合，解決了多模態(tài)成像中的ROI追蹤難題，為腫瘤異質(zhì)性分析、治療響應(yīng)評估和轉(zhuǎn)移機(jī)制研究提供了標(biāo)準(zhǔn)化方案。實驗數(shù)據(jù)證實，該技術(shù)對免疫細(xì)胞浸潤、基質(zhì)-腫瘤界面相互作用等關(guān)鍵生物學(xué)過程具備亞細(xì)胞級的定量解析能力，其精度顯著優(yōu)于傳統(tǒng)分段成像方法。隨著空間組學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，本方法與轉(zhuǎn)錄組、蛋白組數(shù)據(jù)的多維整合，有望繪制更全面的腫瘤微環(huán)境圖譜，推動精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)向三維空間維度縱深發(fā)展。

DOI:10.1016/j.isci.2025.111934.