金貝爾分享： 激光面陣列紅外成像技術(shù)用于癌變肝組織多模態(tài)成像分析

文章題目：A multimodal view at cancerous liver tissue by chemical bioimaging and image segmentation strategies

發(fā)表期刊：ChemRxiv

研究單位：德國慕尼黑大學(xué)無機與分析化學(xué)研究所

研究技術(shù)：激光面陣列紅外成像、熒光成像、質(zhì)譜成像、µXRF成像等

樣本類型：大鼠肝癌組織

空間組學(xué)技術(shù)，作為現(xiàn)代生物學(xué)研究的前沿陣地，巧妙的融合了顯微鏡技術(shù)與分子生物學(xué)的精髓，致力于探索生物分子在細胞或組織中的空間布局及其相互作用的奧秘。在此視角下，生物學(xué)研究得以更為精確地解讀細胞間的交流、組織的結(jié)構(gòu)與功能，以及疾病的發(fā)生機制，揭示不同區(qū)域間的異質(zhì)性，如腫瘤核心與邊緣、血管附近與遠離血管區(qū)域的基因表達差異，為精準醫(yī)療和個性化治療策略的制定提供了寶貴依據(jù)。

2023年9月25日，德國明斯特大學(xué)無機與分析化學(xué)研究所Uwe Karst教授團隊在ChemRxiv上發(fā)表了題為A multimodal view at cancerous liver tissue by chemical bioimaging and image segmentation strategies的文章。在這項研究中，研究團隊采用了布魯克的激光面陣列紅外成像光譜儀HYPERION II ILIM對患有肝癌的大鼠肝組織進行了超快速成像，該成像技術(shù)可以非標記、無損的快速完成整塊切片組織的快速成像，同時還能達到5µm的亞細胞級空間分辨率，這一成像速度比同等空間分辨率下的質(zhì)譜成像和µXRF成像快2～3個數(shù)量級。這項技術(shù)為腫瘤的快速診斷、疾病發(fā)生發(fā)展機制、預(yù)后評估和個性化治療提供了全新的工具，更好地推動了空間組學(xué)技術(shù)的發(fā)展朝著更高分辨率、更快速度和更低成本的方向發(fā)展。

從下圖可以看出，基于量子級聯(lián)激光器的紅外顯微成像中，無需探針標記和對切片進行任何處理，即可對整片大鼠肝臟組織進行成像，僅需20分鐘就可完成成像數(shù)據(jù)采集（共采集810萬個像素點，每個像素點采集1張紅外光譜，空間分辨率為5µm，采集區(qū)域約2.2 cm×0.9 cm）。然后對紅外光譜中1734cm-1的脂質(zhì)特征峰、1651cm-1的蛋白質(zhì)特征峰、1238cm-1的核酸特征峰、1030cm-1糖原特征峰進行積分處理，均可以將癌變區(qū)域與正常區(qū)域進行有效區(qū)分，其中基于1030cm-1糖原特征峰的積分處理，還可以將固生肝癌組織和細胞改變灶識別出來。

圖1. 肝癌及鄰近受損肝組織分子生物成像

(trabecular HCC: 小梁腺瘤生長型肝癌組織；solid HCC: 固生肝癌組織；HCA： 肝細胞腺瘤；FCA: 細胞改變灶)

從下圖可以看出，基于高信噪比的激光紅外指紋光譜，通過UMAP算法，可以通過假彩圖對多種成分做出細分，比如肝癌細胞、癌細胞間血管化的基質(zhì)細胞、正常肝細胞、糖原沉積和固生肝癌組織等。相較于傳統(tǒng)的H&E染色，能看到更深入的細節(jié)和腫瘤細胞的微環(huán)境，為腫瘤發(fā)生發(fā)展機制和腫瘤分型等方面的研究提供了新的手段的研究思路，有望將現(xiàn)有研究工作推到新的高度。

圖2. 分子成像數(shù)據(jù)的圖像分割與H&E染色的比較。

（UMAP假彩圖: 灰色-背景、黑色-組織邊緣、褐色-肝癌細胞、深藍色-癌細胞間血管化的基質(zhì)細胞、橙色-正常肝細胞、淺藍色-正常干細胞、黃色-糖原沉積、紫色-固生肝癌組織）

激光紅外顯微鏡LUMOS II ILIM