無(wú)需標(biāo)記的多模態(tài)三維成像技術(shù)精準(zhǔn)解析糖尿病腎組織形態(tài)特征
糖尿病腎病是慢性腎臟病的主要成因，在全球范圍內(nèi)導(dǎo)致高死亡率，但傳統(tǒng)活檢方法存在診斷效率低、染色信號(hào)重疊及組織浪費(fèi)等問(wèn)題。本文介紹一項(xiàng)突破性研究，通過(guò)無(wú)標(biāo)記多模態(tài)光學(xué)成像技術(shù)，在無(wú)需染色試劑的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)糖尿病腎組織生物分子和形態(tài)特征的全面解析。該技術(shù)整合刺激拉曼散射（SRS）、二次諧波產(chǎn)生（SHG）和雙光子熒光（TPF）成像，在二維和三維尺度上揭示脂質(zhì)代謝、氧化應(yīng)激及膠原纖維等關(guān)鍵病理變化，為腎病診斷提供新視角。
本研究成果由Anthony A. Fung、Zhi Li、Craig Boote、Petar Markov、Joseph P. Gaut、Sanjay Jain和Lingyan Shi共同完成，論文標(biāo)題為“Label-free multimodal optical biopsy reveals biomolecular and morphological features of diabetic kidney tissue in 2D and 3D”，于2025年在《Nature Communications》期刊上線發(fā)表。
重要發(fā)現(xiàn)
01多模態(tài)成像平臺(tái)的設(shè)計(jì)與能力
研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一套集成SRS、SHG和TPF的無(wú)標(biāo)記光學(xué)成像系統(tǒng)，能夠在單一平臺(tái)上同時(shí)捕獲脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、膠原及代謝物信號(hào)。SRS用于檢測(cè)脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的化學(xué)鍵振動(dòng)，SHG專攻膠原纖維成像，而TPF則捕捉NAD(P)H和黃素類分子的自發(fā)熒光。該平臺(tái)支持全切片掃描和特定區(qū)域高分辨率成像，甚至可進(jìn)行深度達(dá)200微米的三維無(wú)損掃描。通過(guò)線性混合SRS圖像生成的刺激拉曼組織學(xué)（SRH）圖像，模擬了傳統(tǒng)H&E染色的視覺(jué)效果，使形態(tài)學(xué)分析更直觀。這一設(shè)計(jì)避免了多次染色對(duì)組織的破壞，最大化利用珍貴活檢樣本。
利用懲罰參考匹配SRS（PRM-SRS）技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)脂質(zhì)亞型進(jìn)行空間分布分析。結(jié)果顯示，糖尿病腎樣本中甘油三酯（TAG）、C12神經(jīng)酰胺、膽固醇及其酯化形式均呈現(xiàn)相對(duì)濃度升高。尤其值得注意的是，膽固醇與酯化膽固醇的比率在腎小球和腎小管間質(zhì)區(qū)域表現(xiàn)出相反趨勢(shì)：糖尿病樣本中腎小管區(qū)游離膽固醇更高，而腎小球區(qū)酯化膽固醇較低。這種差異可能與脂質(zhì)代謝紊亂相關(guān)，例如低密度脂蛋白積累或脂肪酸合酶活性不足。脂質(zhì)分布的異質(zhì)性提示糖尿病腎病中脂質(zhì)代謝失衡具有區(qū)域特異性，為理解腎病進(jìn)展提供了新線索。
03光學(xué)氧化還原比與脂質(zhì)飽和度的代謝指標(biāo)
通過(guò)TPF成像測(cè)量NAD(P)H和黃素的熒光信號(hào)，計(jì)算光學(xué)氧化還原比（ORR，即FAD/(NADH+FAD)），并將其作為氧化應(yīng)激的指標(biāo)。同時(shí)，基于SRS在2880 cm⁻¹（飽和脂質(zhì)）和3011 cm⁻¹（不飽和脂質(zhì)）的信號(hào)比值，推導(dǎo)脂質(zhì)飽和度。研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病腎樣本的ORR顯著降低，表明氧化應(yīng)激水平升高；而脂質(zhì)飽和度也下降，反映飽和脂肪酸積累。這些變化與線粒體功能障礙和纖維化進(jìn)程密切相關(guān)，例如NADPH氧化酶活性增強(qiáng)可能加劇自由基產(chǎn)生。代謝失衡與形態(tài)學(xué)改變（如膠原沉積）相互印證，凸顯了多模態(tài)成像在揭示病理機(jī)制中的優(yōu)勢(shì)。
04三維成像精準(zhǔn)量化腎小球體積分?jǐn)?shù)
傳統(tǒng)二維切片常因腎小球在不同焦平面呈現(xiàn)極性截面，導(dǎo)致系膜體積分?jǐn)?shù)（Vv(Mes/Glom)）估計(jì)偏差。本研究通過(guò)三維光學(xué)切片技術(shù)，對(duì)腎小球進(jìn)行整體重建，發(fā)現(xiàn)糖尿病腎樣本的系膜體積分?jǐn)?shù)顯著高于對(duì)照組。三維測(cè)量方法方差更小，結(jié)果更可靠，而二維方法（如單平面或最大截面法）會(huì)低估系膜擴(kuò)張程度。此外，三維數(shù)據(jù)允許對(duì)腎小球內(nèi)細(xì)胞核進(jìn)行計(jì)數(shù)，為細(xì)胞增殖分析提供基礎(chǔ)。這一發(fā)現(xiàn)不僅驗(yàn)證了系膜擴(kuò)張作為糖尿病腎病的標(biāo)志，還強(qiáng)調(diào)了三維成像在提高診斷準(zhǔn)確性方面的價(jià)值。
05AI驅(qū)動(dòng)腎小球自動(dòng)識(shí)別與分類
基于SRH圖像，研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用DenseNet卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行腎小球的自動(dòng)分割和分類。結(jié)果顯示，無(wú)標(biāo)記SRH圖像在識(shí)別腎小球方面的性能與傳統(tǒng)染色相當(dāng)，準(zhǔn)確率超過(guò)97%。僅需5個(gè)訓(xùn)練周期，AI模型即可區(qū)分糖尿病和對(duì)照組腎小球，且通過(guò)圖像增強(qiáng)（如對(duì)比度調(diào)整或噪聲添加）提升了泛化能力。這種方法避免了染色試劑的使用，縮短了分析時(shí)間，為臨床快速診斷提供了可行方案。AI與無(wú)標(biāo)記成像的結(jié)合，標(biāo)志著計(jì)算病理學(xué)在腎病研究中的邁進(jìn)。
06空間膠原纖維分析揭示纖維化特征
利用SHG成像對(duì)膠原纖維進(jìn)行各向異性分析，量化纖維取向和厚度。糖尿病腎樣本中膠原纖維更厚、SHG信號(hào)更強(qiáng)，且纖維厚度在腎小球和血管附近出現(xiàn)峰值。通過(guò)距離映射算法，自動(dòng)測(cè)量纖維直徑，發(fā)現(xiàn)糖尿病樣本纖維平均增厚近25%�？臻g分析還顯示，纖維厚度隨距腎小球距離增加而減小，表明纖維化進(jìn)程具有局部微環(huán)境依賴性。這種無(wú)標(biāo)記方法避免了傳統(tǒng) trichrome 染色的局限性，為評(píng)估腎纖維化提供了定量工具。
創(chuàng)新與亮點(diǎn)
本研究首要突破了傳統(tǒng)腎活檢的染色依賴難題。傳統(tǒng)方法如H&E或Masson染色雖廣泛應(yīng)用，但受限于色譜重疊、試劑變異及組織破壞，而多模態(tài)無(wú)標(biāo)記成像通過(guò)物理光學(xué)特性直接捕獲信號(hào)，消除了這些瓶頸。技術(shù)層面，創(chuàng)新性地整合SRS、SHG和TPF三種模態(tài)，在單一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)化學(xué)、形態(tài)和代謝信息的同步采集。SRS提供脂質(zhì)與蛋白質(zhì)的分子振動(dòng)光譜，SHG專攻非中心對(duì)稱膠原成像，TPF則反映代謝狀態(tài)，這種多參數(shù)關(guān)聯(lián)避免了組織浪費(fèi)。
在光學(xué)生物醫(yī)療領(lǐng)域，該技術(shù)展現(xiàn)出直接應(yīng)用價(jià)值。例如，在糖尿病腎病診斷中，無(wú)需染色即可獲得類H&E圖像，縮短病理報(bào)告時(shí)間；三維成像能力支持精準(zhǔn)量化形態(tài)變化，減少診斷主觀性；AI集成進(jìn)一步自動(dòng)化分析流程，提升篩查效率。此外，技術(shù)平臺(tái)的可擴(kuò)展性允許適配其他組織類型，如腫瘤或肝纖維化研究，為精準(zhǔn)醫(yī)療提供通用工具。通過(guò)保存組織完整性，該技術(shù)還能與下游組學(xué)分析（如基因組或蛋白組）結(jié)合，推動(dòng)多模態(tài)數(shù)據(jù)融合。
總結(jié)與展望
本論文證實(shí)無(wú)標(biāo)記多模態(tài)光學(xué)成像能全面解析糖尿病腎病的生物分子與形態(tài)特征，從脂質(zhì)代謝異常到膠原纖維重構(gòu)，均提供了定量證據(jù)。技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于避免染色干擾、支持三維分析并與AI協(xié)同，為腎病研究開辟了新路徑。未來(lái)工作可聚焦于擴(kuò)大樣本量以驗(yàn)證生物標(biāo)志物的普適性，探索線粒體功能障礙等機(jī)制關(guān)聯(lián)，并優(yōu)化成像速度用于臨床實(shí)時(shí)診斷。隨著計(jì)算方法的進(jìn)步，無(wú)標(biāo)記成像有望成為標(biāo)準(zhǔn)病理工具，最終提升腎病管理效率。
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Fung AA, Li Z, Boote C, Markov P, Gaut JP, Jain S, Shi L. Label-free multimodal optical biopsy reveals biomolecular and morphological features of diabetic kidney tissue in 2D and 3D. Nat Commun. 2025 May 15;16(1):4509.
DOI:10.1038/s41467-025-59163-w.
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