哥伦比亚大学工程师设计的高速3D显微镜MediSCAPE，可以实时观察活组织中的细胞细节，以指导手术，加快组织分析，并改进治疗。

哥伦比亚大学的一个工程团队开发了一种技术，可以用活体内的实时成像取代传统的活检和组织学。今天发表在《自然生物医学工程》(Nature Biomedical Engineering)杂志上的一篇新论文描述了MediSCAPE是一种高速3D显微镜，能够捕捉组织结构的图像，可以指导外科医生导航肿瘤及其边界，而不需要移除组织并等待病理结果。

对于许多医疗程序，尤其是癌症手术和筛查，医生通常会取活组织切片，即切下小块组织，以便用显微镜更仔细地观察它们。“活检样本的处理方式100年来没有改变，它们被切割、固定、嵌入、切片、染色、放置在玻片上，病理学家使用简单的显微镜观察。哥伦比亚大学生物医学工程和放射学教授、本研究的资深作者伊丽莎白·希尔曼说:“这就是为什么活检后要花几天时间才能听到诊断结果的原因。”

希尔曼的研究小组设想了一种大胆的替代方法，他们想知道是否能在组织还在体内的时候捕捉到它的图像。她解释说:“这种技术可以让医生实时反馈他们正在观察的组织类型，而无需等待很长时间。”“这个即时的答案可以让他们做出明智的决定，决定如何最好地切除肿瘤，并确保不留下任何肿瘤。”

这种方法的另一个主要好处是，切除组织，只是为了弄清楚它是什么，对医生来说是一个艰难的决定，特别是对于珍贵的组织，如大脑、脊髓、神经、眼睛和面部区域。这意味着医生可能会错过疾病的重要部位。“因为我们可以在不切除活体组织的情况下成像，我们希望MediSCAPE将使那些决定成为过去，”希尔曼说。

虽然已经有一些用于手术指导的显微镜，但它们只能给医生提供一个小的、单一的2D平面的图像，这使得快速检查更大区域的组织和解释结果变得困难。这些显微镜通常还需要将荧光染料注射到患者体内，这需要时间，并限制了对某些患者的使用。

在过去的十年里，希尔曼，也是哥伦比亚大学祖克曼大脑行为研究所赫伯特和弗洛伦斯·欧文教授，一直在开发用于神经科学研究的新型显微镜，这种显微镜可以捕捉活体样本的非常快的3D图像，比如小虫子、鱼、通过飞行来观察他们大脑和身体的神经元在移动时是如何被激活的。该团队决定测试他们的技术，称为SCAPE(扫描共聚焦平面激发显微镜)是否可以看到身体其他部位组织中的任何有用的东西。

“我们观察的第一批组织之一是新鲜的老鼠肾脏，我们震惊地看到了与标准组织学非常相似的华丽结构，”克里帕·帕特尔(Kripa Patel)说，她最近从希尔曼实验室(Hillman lab)毕业，是这项研究的主要作者。“最重要的是，我们没有给老鼠添加任何染料——我们看到的所有东西都是组织中自然的荧光，这种荧光通常太弱而看不见。我们的显微镜非常高效，我们可以很好地看到这些微弱的信号，即使我们也可以以足够快的速度实时成像整个3D体积，扫描组织的不同区域，就像我们拿着一个手电筒一样。”

当她“四处走动”的时候，帕特尔甚至可以将获得的体积拼接在一起，并将数据转换成组织的大型3D表示，病理学家可以像检查一盒组织切片一样检查这些数据。

“这是我没有想到的——我实际上可以从不同的角度看3D结构，”合作者、哥伦比亚大学医学中心的肾脏病理学家莎娜·科利博士说，她密切合作进行了这项研究。“我们发现，在很多例子中，我们无法从组织切片的2D切片中识别出一个结构，但在3D切片中，我们可以清楚地看到它的形状。特别是在肾脏病理学中，我们通常使用非常有限的组织，我们可以从样本中获得越多的信息，就能更好地提供更有效的患者护理。”

该团队展示了MediSCAPE的广泛应用能力，从分析小鼠的胰腺癌到Coley对非破坏性、快速评估人体移植器官(如肾脏)的兴趣。Coley帮助研究小组从人类肾脏中获取新鲜样本，以证明MediSCAPE可以发现与传统组织学图像非常匹配的肾脏疾病迹象。

研究小组还意识到，通过对活体组织进行成像，他们可以获得比从没有生命的切除活组织切片中获得更多的信息。他们发现，他们可以将血液在组织中的流动可视化，并看到细胞水平上缺血和再灌注的影响(切断肾脏的血液供应，然后让血液回流)。

希尔曼说:“了解手术过程中组织是否保持健康和获得良好的血液供应真的很重要。”“我们也意识到，如果我们不需要移除(和杀死)组织来观察它们，我们可以发现MediSCAPE的更多用途，甚至可以回答一些简单的问题，比如‘这是什么组织?，或在宝贵的神经周围导航。这两种应用对机器人和腹腔镜手术非常重要，因为外科医生在直接识别组织和与组织互动方面的能力更有限。”

对这个团队来说，关键的最后一步是将希尔曼实验室里的标准SCAPE显微镜的大尺寸缩小到可以放进手术室并且可以被外科医生在人体中使用的尺寸。博士后研究员文选梁与团队合作,开发一个较小的版本的系统有更好的形式因素,和无菌成像帽。博士生马尔特?卡斯珀帮助获得团队的第一示范MediSCAPE人类,收集图像的一系列组织和嘴。这些结果包括当志愿者舔成像探针的末端时快速成像，产生舌头乳头的详细3D视图。

该团队迫切希望通过更大规模的临床试验将这项技术提升到一个新的水平，目前正在进行商业化和FDA批准工作。希尔曼补充说:“每次我们在新组织上使用MediSCAPE时，都能看到它所揭示的东西，这让我们非常惊讶，尤其是我们甚至不需要添加染料或染色，就能看到病理学家可以识别的结构。”

Hillman和她的团队希望MediSCAPE将使标准的组织学成为过去，将实时组织学和决策的力量交到外科医生手中。

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High-speed light-sheet microscopy for the in-situ acquisition of volumetric histological images of living tissue