美國伊利諾伊大學(xué)的研究人員通過在標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)顯微鏡中增加紅外功能，將紅外測量結(jié)果與高分辨率光學(xué)圖像和機器學(xué)習(xí)算法結(jié)合，創(chuàng)建了與傳統(tǒng)病理技術(shù)密切相關(guān)的數(shù)字活檢，并且其性能也超過了最新的紅外顯微鏡。該研究成果發(fā)表在《PNAS》上。

https://doi.org/10.1073/pnas.1912400117

組織病理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)是添加染料或染色劑，以便病理學(xué)家在顯微鏡下看到細(xì)胞的形狀和模式。但是，將腫瘤與健康組織區(qū)分開及確定腫瘤的邊界都是很困難的，而且在許多情況下，診斷是主觀的。像紅外顯微鏡這樣的技術(shù)可以測量組織的分子組成，提供定量的測量來區(qū)分細(xì)胞類型。然而由于其價格昂貴，且樣品需要特殊的準(zhǔn)備和處理，使得它們在絕大多數(shù)的臨床和研究環(huán)境中不切實際。

Rohit Bhargava教授領(lǐng)導(dǎo)的小組通過在光學(xué)相機中添加紅外激光器和專用顯微鏡鏡頭（稱為干涉物鏡），開發(fā)出了混合顯微鏡。這種紅外-光學(xué)混合技術(shù)可通過實驗室中普遍使用的光學(xué)顯微鏡測量紅外數(shù)據(jù)和高分辨率光學(xué)圖像。

紅外-光學(xué)混合（IR-OH）顯微鏡的概念。

將這兩種技術(shù)結(jié)合起來可以利用兩者的優(yōu)勢，它不僅具有光學(xué)顯微鏡的高分辨率、大視野和可及性，紅外數(shù)據(jù)還可以進行計算分析，而無需添加任何會損壞組織的染料或染色劑。軟件可以重現(xiàn)不同的染色劑，甚至重疊它們以創(chuàng)建出更完整的、關(guān)于組織中成分的全數(shù)字圖像。研究人員通過對健康和癌變的乳腺組織樣本進行成像，并將混合顯微鏡的“染料”結(jié)果與傳統(tǒng)染色技術(shù)的結(jié)果進行比較，從而對顯微鏡進行了驗證。

乳房組織活檢的并排比較顯示了紅外-光學(xué)混合顯微鏡的某些功能。

左：傳統(tǒng)方法染色的組織樣本；中：由紅外-光學(xué)混合成像產(chǎn)生的計算著色；右：紅外數(shù)據(jù)識別的組織類型。圖像中的粉紅色表示惡性癌癥。圖片來源：伊利諾伊大學(xué)香檳分校

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，他們的紅外-光學(xué)混合顯微鏡在幾個方面都優(yōu)于最先進的紅外顯微鏡：覆蓋率提高了10倍、一致性更高、分辨率提高了4倍，從而允許在更短的時間內(nèi)，以前所未有的細(xì)節(jié)對更大的樣品進行紅外成像。在病理診斷方面，這可以幫助加快等待結(jié)果的速度，降低試劑和人員對組織染色的成本，并為癌癥病理學(xué)提供“全數(shù)字”解決方案。

研究人員計劃繼續(xù)完善用于分析混合圖像的計算工具。他們正在努力優(yōu)化可測量多個紅外波長的機器學(xué)習(xí)程序，創(chuàng)建可輕松區(qū)分多種細(xì)胞類型的圖像，并將這些數(shù)據(jù)與詳細(xì)的光學(xué)圖像整合在一起，以精確地映射樣本中的癌癥。他們還計劃探索混合顯微鏡成像的進一步應(yīng)用，如法醫(yī)學(xué)、高分子科學(xué)和其他生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。