混合显微镜可以将癌症诊断带入数字时代

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员希望，通过在无所不在的标准光学显微镜上增加红外线功能，将癌症诊断带入数字时代。

研究人员将红外测量数据与高分辨率光学图像和机器学习算法相结合，创建了与传统病理学技术紧密相关的数字活组织切片，其表现也优于最先进的红外显微镜。

由伊利诺斯州癌症中心主任、生物工程教授Rohit Bhargava领导的研究小组在《美国国家科学院院刊》上发表了他们的研究结果。

优点是不需要染色，而且可以测量细胞的组织和化学成分。测量肿瘤细胞及其微环境的化学成分可以帮助更好地诊断癌症和更好地了解疾病。”Rohit Bhargava，生物工程教授，伊利诺斯州癌症中心主任

组织病理学的黄金标准是添加染料或染色剂，这样病理学家就可以在显微镜下看到细胞的形状和模式。然而，很难将癌症与健康组织区分开，也很难确定肿瘤的边界，而且在许多情况下，诊断是主观的。

“一个多世纪以来，我们一直依靠在人体组织活检中添加染料来诊断肿瘤。然而，由染料引起的形状和颜色提供了非常有限的关于潜在的分子变化导致癌症的信息，”Bhargava说。

像红外线显微镜这样的技术可以测量组织的分子组成，提供定量的测量来区分细胞类型。不幸的是，红外线显微镜价格昂贵，而且样品需要特殊的准备和处理，这使得它们在绝大多数的临床和研究环境中不切实际。

Bhargava的团队通过在光学相机上添加红外线激光和特殊的显微镜镜头(称为干涉物镜)，开发出了这种混合显微镜。这种红外-光学混合技术利用光学显微镜测量红外数据和高分辨率光学图像，这种光学显微镜在诊所和实验室中随处可见。

“我们用现成的组件制造了混合显微镜。这很重要，因为它可以让其他人轻松地制造自己的显微镜或升级现有的显微镜。

研究人员说，将这两种技术结合起来可以利用两者的优势。它具有光学显微镜的高分辨率、大视场和可及性。此外，红外数据可以计算分析，不添加任何染料或污渍，可以损害组织。软件可以重新创建不同的污渍，甚至重叠它们，从而创建出更完整的、关于组织中成分的全数字图像。

研究人员通过对乳腺组织样本(健康的和癌变的)进行成像，并将混合显微镜计算出的“染料”与传统染色技术的结果进行比较，从而验证了他们的显微镜。数字化活检与传统活检密切相关。

此外，研究人员发现，他们的红外光学混合显微镜在几个方面都优于最先进的红外显微镜:它具有10倍的覆盖范围，更高的一致性和4倍的分辨率，允许在更短的时间内，以前所未有的细节对更大的样品进行红外成像。

“红外光学混合显微术在生物医学应用中与传统显微术广泛兼容，”Schnell说。“我们将光学显微镜的易用性和普遍可用性与广泛的红外分子对比度和机器学习相结合。通过这样做，我们希望改变我们日常处理、成像和理解微观组织结构的方式。”

研究人员计划继续完善用于分析混合图像的计算工具。他们正在努力优化能够测量多种红外波长的机器学习程序，创建容易区分多种细胞类型的图像，并将这些数据与详细的光学图像结合起来，以精确地映射样本中的癌症。他们还计划探索混合显微镜成像的进一步应用，如法医、高分子科学和其他生物医学应用。

赴美医疗服务机构和生元国际获悉，这些额外的细节在病理诊断方面所能提供的信息非常有趣。这将有助于加快等待结果的速度，降低试剂和人为组织染色的成本，并为癌症病理学提供‘全数字化’解决方案。

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