快速全彩色连续切片断层扫描技术及其在生物成像中的应用
学术背景
三维（3D）高分辨率大体积成像一直是生物医学领域的一个重大挑战。传统的二维（2D）切片成像虽然能够提供组织和细胞的平面形态学信息，但无法全面展示内部的三维结构信息，这对于癌症诊断和胚胎发育研究至关重要。传统的3D组织学方法通常需要手动切割和染色数千张薄片，耗时且劳动密集。此外，还需要复杂的图像配准算法来恢复不同切片之间的空间信息。为了解决这些问题，近年来出现了多种自动化的3D光学成像技术，主要分为两类：一类是通过组织透明化技术减少光在生物组织中的传播问题，另一类则是通过块面连续切片断层扫描（BSST）技术扩展成像体积。
然而，现有的3D成像技术仍然存在一些局限性。例如，组织透明化技术需要在透明效果和时间之间取得平衡，以防止组织降解；而BSST系统虽然能够生成对齐的图像，但其整体复杂性较高，特别是在多色成像时。此外，许多BSST系统需要对样本进行整体染色和嵌入硬质材料（如树脂或石蜡），这不仅增加了时间和成本，还会导致组织脱水收缩。
为了解决这些问题，香港科技大学的Wentao Yu、Yan Zhang、Claudia T. K. Lo、Lei Kang和Terence T. W. Wong团队开发了一种名为HILOTRUST的新型3D成像技术。该技术结合了高-低频率（HILO）显微镜和紫外（UV）激发，能够在保持高分辨率的同时，实现快速、低成本的全器官亚细胞成像。
研究内容与工作流程
研究背景与目标
HILOTRUST技术是在团队之前开发的TRUST（Translational Rapid Ultraviolet-Excited Sectioning Tomography）技术基础上进一步优化的。TRUST技术通过紫外表面激发和实时染色实现了快速、高分辨率的全器官成像，但其轴向分辨率受到机械切片厚度或紫外光在组织中的穿透深度的限制。为了克服这些限制，HILOTRUST引入了HILO显微镜，将光学切片厚度从几十微米降低到约5.8微米，并将机械切片厚度从50微米减少到10-15微米。
实验设计与方法
1. 全色HILO显微镜的搭建
HILOTRUST系统的核心是全色HILO显微镜。该显微镜通过两种照明模式进行成像：散斑照明和均匀照明。在散斑照明模式下，使用532纳米的绿色激光二极管（LD）生成散斑图案，激发细胞核中的荧光信号；在均匀照明模式下，使用两个深紫外LED（UV-LED）进行均匀照明，激发标记的染料和内生组织成分的荧光信号。通过这两种模式的结合，HILOTRUST能够实现全色成像，并显著提高图像对比度。
2. HILOTRUST系统的搭建
HILOTRUST系统将全色HILO显微镜与三轴电动平台和振动切片机集成在一起。在成像过程中，样本首先通过电动平台进行X-Y平面的光栅扫描，然后通过振动切片机进行机械切片。每次成像后，系统会自动移除已成像的组织层，露出下一层进行成像。整个过程完全自动化，无需手动校准。
3. 数据处理与3D重建
HILOTRUST系统通过HILO图像处理算法生成光学切片图像，并通过直接图像堆叠进行3D重建。由于生成的图像切片是自然对齐的，因此无需复杂的图像配准算法。
实验结果
1. 全色HILO显微镜的验证
研究团队首先对全色HILO显微镜的高内容和光学切片能力进行了验证。通过对小鼠多个器官（如肺、肾、肝和脑）进行2D成像，发现HILO图像相比传统的宽场图像在对比度上有显著提升，能够更清晰地识别细微结构。
2. 3D成像验证
研究团队进一步对小鼠肾脏、肺和肝脏组织块进行了3D成像，并与TRUST技术的成像结果进行了对比。结果显示，HILOTRUST在光学切片能力上具有显著优势，能够生成更清晰、更详细的3D图像。特别是在小鼠肺组织的3D重建中，HILOTRUST能够更准确地展示肺泡和弹性纤维的分布。
3. 临床应用潜力
为了验证HILOTRUST在临床应用中的潜力，研究团队对两例人类肺癌样本进行了成像。结果显示，HILOTRUST能够显著提高图像对比度，使得弹性纤维等结构更易于识别。此外，HILOTRUST的全色成像能力还能够提取出胶原纤维和癌细胞之间的3D分布关系，展示了其在癌症研究中的潜在应用价值。
结论与意义
HILOTRUST技术通过结合HILO显微镜和紫外激发，实现了高分辨率、全色的3D成像，具有时间效率和成本效益的显著优势。该技术在3D组织学应用中展现出巨大的潜力，特别是在癌症诊断和胚胎发育研究领域。未来，研究团队计划进一步优化系统性能，探索更多类型的荧光染料，并扩大临床应用范围。
研究亮点
- 高分辨率与全色成像：HILOTRUST通过HILO显微镜和紫外激发，实现了高分辨率的全色3D成像，显著提高了图像对比度和细节识别能力。
- 时间效率与成本效益：相比传统的3D成像技术，HILOTRUST在保持高分辨率的同时，显著减少了成像时间和成本。
- 临床应用潜力：HILOTRUST在人类肺癌样本中的成像结果展示了其在癌症诊断和研究中的潜在应用价值。
未来展望
尽管HILOTRUST技术已经取得了显著进展，但仍有许多改进空间。例如，未来可以探索更多类型的荧光染料，以丰富成像能力；此外，通过引入深度学习技术，可以进一步提高成像速度和图像质量。随着技术的不断优化，HILOTRUST有望在生物医学研究和临床诊断中发挥更大的作用。