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(jī)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(xì)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(xì)胞間的交流、組織的結(jié)構(gòu)與功能，以及疾病的發(fā)生機(jī)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(yuǎn)離血管區(qū)域的基因表達(dá)差異，為精準(zhǔn)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(jī)與分析化學(xué)研究所Uwe Karst教授團(tuán)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(tuán)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(jìn)行了超快速成像，該成像技術(shù)可以非標(biāo)記、無損的快速完成整塊切片組織的快速成像，同時還能達(dá)到5µm的亞細(xì)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(jī)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(biāo)記和對切片進(jìn)行任何處理，即可對整片大鼠肝臟組織進(jìn)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(jìn)行積分處理，均可以將癌變區(qū)域與正常區(qū)域進(jìn)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(xì)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(xì)胞腺瘤；FCA: 細(xì)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(xì)分，比如肝癌細(xì)胞、癌細(xì)胞間血管化的基質(zhì)細(xì)胞、正常肝細(xì)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(xì)節(jié)和腫瘤細(xì)胞的微環(huán)境，為腫瘤發(fā)生發(fā)展機(jī)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(xì)胞、深藍(lán)色-癌細(xì)胞間血管化的基質(zhì)細(xì)胞、橙色-正常肝細(xì)胞、淺藍(lán)色-正常干細(xì)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