用户文章 | 激光面阵列红外成像技术用于癌变肝组织多模态成像分析

文章题目：A multimodal view at cancerous liver tissue by chemical bioimaging and image segmentation strategies

发表期刊：ChemRxiv

研究单位：德国慕尼黑大学无机与分析化学研究所

研究技术：激光面阵列红外成像、荧光成像、质谱成像、µXRF成像等

样本类型：大鼠肝癌组织

空间组学技术，作为现代生物学研究的前沿阵地，巧妙的融合了显微镜技术与分子生物学的精髓，致力于探索生物分子在细胞或组织中的空间布局及其相互作用的奥秘。在此视角下，生物学研究得以更为精确地解读细胞间的交流、组织的结构与功能，以及疾病的发生机制，揭示不同区域间的异质性，如肿瘤核心与边缘、血管附近与远离血管区域的基因表达差异，为精准医疗和个性化治疗策略的制定提供了宝贵依据。

2023年9月25日，德国明斯特大学无机与分析化学研究所Uwe Karst教授团队在ChemRxiv上发表了题为A multimodal view at cancerous liver tissue by chemical bioimaging and image segmentation strategies的文章。在这项研究中，研究团队采用了布鲁克的激光面阵列红外成像光谱仪HYPERION II ILIM对患有肝癌的大鼠肝组织进行了超快速成像，该成像技术可以非标记、无损的快速完成整块切片组织的快速成像，同时还能达到5µm的亚细胞级空间分辨率，这一成像速度比同等空间分辨率下的质谱成像和µXRF成像快2～3个数量级。这项技术为肿瘤的快速诊断、疾病发生发展机制、预后评估和个性化治疗提供了全新的工具，更好地推动了空间组学技术的发展朝着更高分辨率、更快速度和更低成本的方向发展。

从下图可以看出，基于量子级联激光器的红外显微成像中，无需探针标记和对切片进行任何处理，即可对整片大鼠肝脏组织进行成像，仅需20分钟就可完成成像数据采集（共采集810万个像素点，每个像素点采集1张红外光谱，空间分辨率为5µm，采集区域约2.2 cm×0.9 cm）。然后对红外光谱中1734cm^-1的脂质特征峰、1651cm^-1的蛋白质特征峰、1238cm^-1的核酸特征峰、1030cm^-1糖原特征峰进行积分处理，均可以将癌变区域与正常区域进行有效区分，其中基于1030cm^-1糖原特征峰的积分处理，还可以将固生肝癌组织和细胞改变灶识别出来。

图1. 肝癌及邻近受损肝组织分子生物成像

(trabecular HCC: 小梁腺瘤生长型肝癌组织；solid HCC: 固生肝癌组织；HCA： 肝细胞腺瘤；FCA: 细胞改变灶)

从下图可以看出，基于高信噪比的激光红外指纹光谱，通过UMAP算法，可以通过假彩图对多种成分做出细分，比如肝癌细胞、癌细胞间血管化的基质细胞、正常肝细胞、糖原沉积和固生肝癌组织等。相较于传统的H&E染色，能看到更深入的细节和肿瘤细胞的微环境，为肿瘤发生发展机制和肿瘤分型等方面的研究提供了新的手段的研究思路，有望将现有研究工作推到新的高度。

图2. 分子成像数据的图像分割与H&E染色的比较。

（UMAP假彩图: 灰色-背景、黑色-组织边缘、褐色-肝癌细胞、深蓝色-癌细胞间血管化的基质细胞、橙色-正常肝细胞、浅蓝色-正常干细胞、黄色-糖原沉积、紫色-固生肝癌组织）

激光红外显微镜LUMOS II ILIM