光片—共聚焦多尺度3D成像在腫瘤微循環研究的應用
腫瘤微環境（TME）的異質性和復雜性對癌癥研究提出了巨大挑戰。傳統二維成像技術難以全面捕捉腫瘤在宏觀組織、介觀區域和細胞層面的動態特征，而單一的三維光學成像方法往往受限于分辨率或視野范圍，無法兼顧多尺度分析需求。近年來，光片顯微鏡（LSFM）和共聚焦顯微鏡（CLSM）分別憑借大視野成像和高分辨率優勢，成為腫瘤研究的重要工具。然而，如何在同一組織樣本中實現兩種技術的無縫銜接，并精準追蹤特定區域（ROI）的跨尺度關聯，始終是技術應用的瓶頸。
研究通過創新性地結合光激活染料標記與透明化試劑切換技術，開發了一套從全器官到細胞級的多尺度三維成像流程。該技術不僅解決了傳統物理切片導致的ROI定位偏差問題，還首次實現了腫瘤免疫微環境的高精度空間定量分析，為評估癌癥治療響應和探索轉移機制提供了全新視角。
研究背景與技術挑戰
腫瘤多尺度成像的迫切需求
腫瘤是由癌細胞、免疫細胞、基質細胞等異質性成分構成的復雜生態系統，其空間分布特征直接影響疾病進展和治療效果。例如，免疫細胞浸潤深度、血管異常結構、壞死區域分布等宏觀特征，與特定亞區的細胞間相互作用共同決定了腫瘤的生物學行為。因此，開發能夠同時解析毫米級組織結構和微米級細胞排列的多尺度成像技術，已成為癌癥研究的重要方向。
光片顯微鏡（LSFM）通過有機溶劑透明化處理，可對小鼠全腦或整塊腫瘤進行快速三維掃描，但其分辨率（通常為微米級）難以揭示細胞間相互作用細節。共聚焦顯微鏡（CLSM）雖能實現亞細胞級成像，卻受限于數百微米的組織穿透深度。過去嘗試通過物理切片銜接兩種技術時，因組織回縮變形和ROI定位丟失，導致跨尺度數據難以精準關聯，嚴重制約了三維空間分析的可靠性。
技術創新與應用
光激活染料介導的ROI追蹤技術
研究的核心創新在于開發了一種基于紫外光激活（UVA）染料的標記技術。這種染料在紫外光照射下會發生化學結構變化，從透明狀態轉變為紫色，從而在組織周圍的瓊脂糖凝膠上留下清晰的標記線。這種標記方法不僅能夠在光片顯微鏡下實現光學標記，還能通過物理切割瓊脂糖凝膠保留標記位置，確保在后續的共聚焦顯微鏡成像中準確找到感興趣區域。
研究突破性地實現了有機溶劑體系與水溶性糖溶液的逆向轉換。通過梯度乙醇再水化處理，組織從高折射率（RI≈1.56）的疏水性透明狀態恢復至親水性，為后續免疫熒光標記和共聚焦成像創造了條件。這種可逆的透明化策略，使得同一組織樣本能先后經歷LSFM宏觀掃描和CLSM高分辨成像，且關鍵區域的空間信息得以完整保留。
成像實驗與結果分析
跨尺度成像的精準性驗證
為驗證ROI追蹤精度，研究團隊將熒光微球（直徑50-200μm）嵌入瓊脂糖模擬腫瘤組織。LSFM定位微球后，通過光激活標記和振動切片成功獲取含目標微球的400μm厚切片，CLSM成像顯示空間坐標偏差小于5μm。進一步通過結構相似性指數（SSIM）和特征點匹配算法（SIFT-FLANN）分析發現，LSFM與CLSM的虛擬切面圖像相似度達0.68-0.89（滿分1.0），輪廓匹配誤差低于3%，證實了跨尺度數據的空間一致性。
在干擾素基因刺激因子激動劑處理的乳腺腫瘤模型中，LSFM宏觀成像顯示治療組出現高強度自發熒光區域。通過關聯CLSM三維成像發現，這些區域對應CD45+免疫細胞浸潤率提升至75%（對照組僅9%），而CK8+癌細胞密度下降至10%（對照組78%）。細胞級分析進一步揭示，治療組中80%的癌細胞與免疫細胞發生直接接觸（對照組35%），且免疫細胞從基質向腫瘤實質的穿透距離增加近3倍（14μmvs.5μm），從空間維度揭示了藥物誘導的免疫激活機制。
腦轉移病灶的原位定位
在乳腺癌腦轉移模型中，LSFM全腦掃描檢測到左側皮層結構異常。通過ROI追蹤獲取的腦組織切片中，CLSM成功識別出直徑約200μm的CK8+轉移灶，并發現周圍聚集大量CD45+免疫細胞。這種從全腦異常篩查到轉移灶細胞級表征的無縫銜接，為研究腫瘤轉移早期的免疫應答提供了重要工具。
整個腫瘤宏觀切片的高分辨率3D多路復用圖像
總結與展望
研究建立的關聯多尺度三維成像技術，首次實現了從整塊腫瘤組織到特定細胞群的跨層級空間解析。通過光激活標記與可逆透明化技術的創新結合，解決了多模態成像中的ROI追蹤難題，為腫瘤異質性分析、治療響應評估和轉移機制研究提供了標準化方案。實驗數據證實，該技術對免疫細胞浸潤、基質-腫瘤界面相互作用等關鍵生物學過程具備亞細胞級的定量解析能力，其精度顯著優于傳統分段成像方法。隨著空間組學技術的快速發展，本方法與轉錄組、蛋白組數據的多維整合，有望繪制更全面的腫瘤微環境圖譜，推動精準醫學向三維空間維度縱深發展。
聲明：本文僅用作學術目的。
Zheng J, Wu YC, Cai X, Phan P, Gill M, Er EE, Zhao Z, Wang ZJ, Lee SS. Correlative multiscale 3D imaging of mouse primary and metastatic tumors by sequential light sheet and confocal fluorescence microscopy. iScience. 2025 Feb 3;28(3):111934.
DOI:10.1016/j.isci.2025.111934.
