哥伦比亚工程学院（Columbia Engineering）的一个团队开发了一种新技术，该技术可以用活体内的实时成像代替传统的组织活检。今天最新发表在《自然-生物医学工程》杂志（Nature Biomedical Engineering）上的一篇论文对MediSCAPE做了描述。MediSCAPE是一台高速3D显微镜，能够捕捉活体组织结构图像。外科医生能用它来定位肿瘤位置以及识别肿瘤大小，而无需切取组织并等待病理分析结果。

 

对于很多医疗程序来说，特别是在癌症的手术和筛查中，医生通常会采取活检——切出小块组织，然后放到显微镜下仔细观察。 “活检样本的处理方式已经沿用了100年，即对样本进行切割、固定、嵌入、切片、染色、然后放置在载玻片上，最后由病理学家使用单式显微镜观察。这也是活检后需要数天时间才能获取诊断结果的原因，”哥伦比亚大学生物医学工程和放射学教授，该研究的第一作者伊丽莎白·希尔曼（Elizabeth Hillman）说。

 

希尔曼团队想到了一个大胆的替代方案，他们想尝试是否能在不切除组织的前提下捕获组织的图像。 “有了这种技术，医生就能在查看组织类型的同时获得即时反馈，且无需长时间等待，”她解释道， “有了即时反馈，医生们就能做出明智的决定，找到切除肿瘤的最佳办法，并确保把肿瘤切干净。”

 

这种技术还有一个好处。因为对医生来说，仅仅是为了查明肿瘤的类型而切取组织，本身就是一个艰难的决定。尤其是涉及大脑、脊髓、神经、眼睛和面部区域等关键的器官的组织。这意味着医生可能会错过重要的疾病区域。“现在，由于我们能在无需切除活组织的情况下能对其进行成像，因此我们希望MediSCAPE的问世能让这些艰难的决定成为过去。”希尔曼说。

 

虽然目前已有一些手术辅助类显微镜可用，但也只能为医生提供一个微小且单一的2D平面图像。因此，很难快速对更广泛的组织区域进行检查并得出结果。这类显微镜通常还需要将荧光剂注入患者体内，这一过程很花时间，而并非所有患者都适用。

 

在过去的十年里，哥伦比亚大学扎克曼心脑行为研究所（Zuckerman Mind Brain Behavior Institute）的赫伯特（Herbert）和弗洛伦斯·欧文（Florence Irving）教授的同侪希尔曼（Hillman）一直在研发用于神经科学研究的新型显微镜。这类显微镜可以快速地捕捉蠕虫、鱼和苍蝇等活体样本的3D图像，并观察它们在移动时大脑和身体中的神经元是如何放电的。该团队决定测试这一技术，他们称之为SCAPE（扫描共焦对齐平面激发显微镜）。测试其是否能在身体其他部位的组织中看到有用的信息。

 

“我们首先用新鲜的小鼠肾脏组织测试，令人惊讶的是，与常规组织活检一样，可以看到丰富的组织结构，” 该研究的主要作者、最近刚毕业于希尔曼实验室的克里帕·帕特尔博士（Kripa Patel）说，“最重要的是，我们没有给小鼠注射荧光剂——所看到的都是组织中的自然荧光，它们十分微弱，肉眼通常无法看到。但我们的显微镜非常高效，能显示这些微弱的信号。它的成像速度很快，即使在对整个3D体积进行成像时，也几乎能实时显像。扫描组织的不同区域时，就像拿着手电筒照射一样。”

 

当它“四处游走”时，帕特尔甚至可以将扫描过的体积拼接在一起，并将数据转化为这些组织的大型3D画像。病理学家可以像拿到一整盒组织幻灯片一样查看。

 

“这是我没想到的——实际上，我还可以从不同的角度观察3D结构，” 与这项研究密切合作助理研究员、哥伦比亚大学医学中心的肾脏病理学家莎娜·科利（Shana Coley）博士说， “通过组织切片的2D影像，我们无法识别整个组织结构，这样的例子有很多。但在3D中，我们可以清楚地看到它的形状。尤其是在肾脏病理学中，通常我们能利用的组织数量有限，如果能从样本中获得越多信息，就能更好地为患者提供更有效的护理。”

 

该团队在广泛应用中展示了MediSCAPE的强大功能，从小鼠胰腺癌分析到科利感兴趣的人体移植器官（如肾脏）的非破坏性快速评估。科利帮助团队从人类肾脏中获取新鲜样本，以证明MediSCAPE可以看到与传统组织学图像高度匹配的肾脏疾病迹象。

 

团队还意识到，通过对活体内的组织进行成像，与无生命的切除活检样品相比，他们可以从活体组织中获得的更多信息。他们发现，可以将通过组织的血流可视化，并由此看到缺血和再灌注在细胞层级的效应（切断肾脏的血液供应，然后让它回流）。

 

“了解组织在手术过程中是否保持健康并获得良好的血液供应，这非常重要，”希尔曼说，“我们还意识到，由于无需切取（并杀死）组织进行观察，MediSCAPE的用途就更加广泛了。它甚至可以回答诸如‘这是什么组织？’之类的简单问题，或者对脆弱的神经进行扫描。这两类应用对于机器人和腹腔镜手术来说都非常重要，因为在这些手术中，外科医生在识别和直接对组织操作方面都十分有限。

 

对于该团队来说，关键最后一步是将希尔曼实验室中标准SCAPE显微镜的尺寸缩小，能将其安装到手术室，供外科医生用于检查人体。梁文轩是一名博士后，他与该团队合作开发了一个更小的系统，该系统外形更佳，带有一个无菌成像帽。博士生马耳他·卡斯珀（Malte Casper）帮助该团队首次在活人身上使用MediSCAPE，用它收集了口腔内和口腔周围一系列组织的图像。这些图像也包括快速成像——一名志愿者用舌头舔成像探头的末端的同时，舌乳头的详细3D视图就产生了。

 

该团队渴望通过更大规模的临床试验将这项技术推进到下一阶段，目前正在努力准备商业化和获取美国药监局（FDA）的批准。希尔曼补充道：“每次在新的组织上使用MediSCAPE时，看到它所显示的内容，我们都感到非常惊讶，尤其是在不需要添加染料或染色剂的情况下，就可以捕捉到病理学家能辨别的组织结构。”

 

希尔曼和她的团队希望MediSCAPE的问世会使常规组织学成为过去，并将实时组织学的力量和决策交到外科医生手中。

 

 图片来源自网络

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