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傳統(tǒng)活檢樣本的處理方式在100年來沒有改變，活檢后需要幾天才能聽到關(guān)于診斷結(jié)果的消息。近期研究開發(fā)了一種技術(shù)，可以讓醫(yī)生實(shí)時(shí)反饋他們正在觀察的組織類型，而無需長(zhǎng)時(shí)間等待。一種能夠捕捉組織結(jié)構(gòu)圖像的高速3D顯微鏡MediSCAPE，幫助使得活體內(nèi)的實(shí)時(shí)成像取代傳統(tǒng)的活檢和組織學(xué)。
哥倫比亞大學(xué)工程團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種技術(shù)，可以用活體內(nèi)的實(shí)時(shí)成像取代傳統(tǒng)的活檢和組織學(xué)。發(fā)表在《Nature Biomedical Engineering》上的一篇新論文“High-speed light-sheet microscopy for the in-situ acquisition of volumetric histological images of living tissue”中描述了MediSCAPE是一種能夠捕捉組織結(jié)構(gòu)圖像的高速3D顯微鏡，可以引導(dǎo)外科醫(yī)生導(dǎo)航腫瘤及其邊界，而不需要切除組織，等待病理學(xué)結(jié)果。
https://www.nature.com/articles/s41551-022-00849-7
對(duì)于許多醫(yī)療程序，特別是癌癥手術(shù)和篩查，醫(yī)生通常會(huì)取活檢，切下小塊組織，以便能夠用顯微鏡仔細(xì)觀察它們。哥倫比亞大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程和放射學(xué)教授、該研究的資深作者Elizabeth Hillman說：“活檢樣本的處理方式在100年來沒有改變，它們被切下、固定、包埋、切片、染色、定位在載玻片上，并由病理學(xué)家使用簡(jiǎn)單的顯微鏡進(jìn)行觀察。這就是為什么在活檢后需要幾天才能聽到關(guān)于診斷結(jié)果的消息?！?/p>
Hillman的研究小組設(shè)想著一個(gè)大膽的替代方案，想知道他們是否可以在組織仍然在體內(nèi)的時(shí)候捕捉它的圖像。她解釋說：“這樣的技術(shù)可以讓醫(yī)生實(shí)時(shí)反饋他們正在觀察的組織類型，而無需長(zhǎng)時(shí)間等待。這個(gè)即時(shí)的答案將讓他們對(duì)如何最好地切出一個(gè)腫瘤做出明智的決定，并確保沒有留下任何東西。”
該方法的另一個(gè)主要好處是，切出組織，只是為了弄清楚它是什么，對(duì)醫(yī)生來說是一個(gè)艱難的決定，尤其是對(duì)于大腦、脊髓、神經(jīng)、眼睛和面部區(qū)域等珍貴的組織。這意味著醫(yī)生可能錯(cuò)過重要的疾病領(lǐng)域。Hillman說：“因?yàn)槲覀兛梢詫?duì)活組織進(jìn)行成像，而不將其切掉，我們希望MediSCAPE將那些決定變成過去的事情?！?/p>
盡管一些用于手術(shù)引導(dǎo)的顯微鏡已經(jīng)可用，但它們只給醫(yī)生一個(gè)小的、單一的2D平面的圖像，使得快速檢查更大的組織區(qū)域和解釋結(jié)果變得困難。這些顯微鏡一般也需要將一種熒光染料注入患者體內(nèi)，這需要時(shí)間，會(huì)限制它們對(duì)某些患者的使用。
在過去的十年里，Hillman一直在開發(fā)用于神經(jīng)科學(xué)研究的新型顯微鏡，可以非?？焖俚夭东@活樣本的3D圖像，如微小的蠕蟲、魚、和果蠅來觀察它們的大腦和身體中的神經(jīng)元在移動(dòng)時(shí)是如何發(fā)射的。研究小組決定測(cè)試他們的技術(shù)，稱為SCAPE（用于掃描共聚焦平面激發(fā)顯微鏡）是否可以在身體其他部位的組織中看到任何有用的東西。
“我們觀察的第一個(gè)組織之一是新鮮的小鼠腎臟，我們驚訝地看到了華麗的結(jié)構(gòu)，看起來非常像你得到的標(biāo)準(zhǔn)組織學(xué)，”Kripa Patel說，他是Hillman實(shí)驗(yàn)室的博士研究生，也是這項(xiàng)研究的主要作者?！?strong style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important;">最重要的是，我們沒有給小鼠添加任何染料——我們看到的一切都是組織中的自然熒光，通常太弱無法看到。我們的顯微鏡是如此高效，以至于我們可以很好地看到這些微弱的信號(hào)，即使我們也以足夠快的速度對(duì)整個(gè)3D體積進(jìn)行成像，實(shí)時(shí)漫游，就好像我們拿著手電筒一樣，掃描組織的不同區(qū)域。”
當(dāng)她“四處游走”時(shí)，Patel甚至可以將采集的體積拼接在一起，并將數(shù)據(jù)變成病理學(xué)家可以檢查的組織的大型3D表示，就好像它是一盒完整的組織學(xué)載玻片。
“這是我沒想到的事情——我實(shí)際上可以從不同的角度觀察3D中的結(jié)構(gòu)，”合作者、哥倫比亞大學(xué)醫(yī)學(xué)中心腎臟病理學(xué)家Shana Coley博士說?！?strong style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important;">我們發(fā)現(xiàn)了許多例子，我們無法從組織學(xué)載玻片上的2D切片中識(shí)別結(jié)構(gòu)，但在3D中我們可以清楚地看到其形狀。尤其是在腎臟病理學(xué)中，我們通常使用非常有限的組織，從樣本中獲得的信息越多，提供更有效的患者護(hù)理越好。”
研究小組證明了MediSCAPE在廣泛應(yīng)用中的力量，從分析小鼠的胰腺癌，到Coley對(duì)腎臟等人體移植器官的無損、快速評(píng)估的興趣。Coley幫助研究小組從人類腎臟中獲取新鮮樣本，以證明MediSCAPE可以看到與傳統(tǒng)組織學(xué)圖像非常匹配的腎病跡象。
研究小組還意識(shí)到，通過對(duì)體內(nèi)存活的組織進(jìn)行成像，他們可以獲得比無生命切除活檢更多的信息。他們發(fā)現(xiàn)，他們實(shí)際上可以可視化流經(jīng)組織的血流，并看到缺血和再灌注的細(xì)胞水平效應(yīng)（切斷腎臟的血液供應(yīng)，然后讓其回流）。
Hillman說：“了解組織是否保持健康，并在手術(shù)過程中獲得良好的血液供應(yīng)真的很重要。我們還意識(shí)到，如果我們不必去除（并殺死）組織來觀察它們，我們可以為MediSCAPE找到更多的用途，甚至可以回答‘這是什么組織？’等簡(jiǎn)單問題?；蛟谡滟F的神經(jīng)周圍導(dǎo)航。這兩種應(yīng)用對(duì)于機(jī)器人和腹腔鏡手術(shù)都是非常重要的，在這些手術(shù)中，外科醫(yī)生識(shí)別和直接與組織相互作用的能力更加有限?！?/p>
團(tuán)隊(duì)的最后一個(gè)關(guān)鍵步驟是將Hillman實(shí)驗(yàn)室中的標(biāo)準(zhǔn)SCAPE顯微鏡的大幅面縮小到適合手術(shù)室并可由外科醫(yī)生用于人體的東西。博士后Wenxuan Liang與團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)出外形因子更好的更小版本的系統(tǒng)，以及無菌成像帽。博士候選人Malte Casper幫助獲得了該團(tuán)隊(duì)在活體中首次演示MediSCAPE，收集了口腔內(nèi)和口腔周圍一系列組織的圖像。
急于以更大規(guī)模的臨床試驗(yàn)將這項(xiàng)技術(shù)帶到下一個(gè)層次，該團(tuán)隊(duì)目前正在致力于商業(yè)化和FDA批準(zhǔn)。Hillman補(bǔ)充道，“我們只是如此驚訝地看到MediSCAPE每次在新組織上使用時(shí)都會(huì)揭示什么，尤其是我們幾乎從未需要添加染料或染色來看到病理學(xué)家能夠識(shí)別的結(jié)構(gòu)。”
Hillman和她的團(tuán)隊(duì)希望MediSCAPE能讓標(biāo)準(zhǔn)的組織學(xué)成為過去，把實(shí)時(shí)組織學(xué)和決策的力量放到外科醫(yī)生手中。
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