目前在科學(xué)研究和腫瘤病理診斷等多方面，以二維形態(tài)病理檢測方法為“金標(biāo)準(zhǔn)“，主要進(jìn)行的是組織二維切片、染色和形態(tài)學(xué)觀察，無法全面呈現(xiàn)腫瘤組織的三維結(jié)構(gòu)信息，導(dǎo)致對(duì)腫瘤的形態(tài)、邊界、侵襲范圍等判斷不夠精準(zhǔn)，同時(shí)難以精確分析腫瘤細(xì)胞與周圍血管、神經(jīng)等微環(huán)境的復(fù)雜關(guān)系，對(duì)于理解腫瘤生長、轉(zhuǎn)移機(jī)制存在障礙，導(dǎo)致病理檢測結(jié)果出現(xiàn)一定程度漏檢、“假陰性”甚至誤檢。

為了實(shí)現(xiàn)更全面、高效的病理檢測，多年來科學(xué)界一直在嘗試通過連續(xù)切片成像，然后重建三維圖像。然而，這種基于切片的方法由于組織無法連續(xù)切片，獲取重建的三維圖像需要大量的切片，成本高且勞動(dòng)強(qiáng)度大。

近年來，組織透明技術(shù)取得了顯著進(jìn)展，使得器官變得透明，從而可以使用各種光學(xué)顯微鏡進(jìn)行體積成像，如共聚焦熒光顯微鏡、多光子熒光顯微鏡和光片熒光顯微鏡等。這些技術(shù)的發(fā)展為3D病理學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

近期，華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表的 “An end-to-end workflow for nondestructive 3D pathology” 介紹了一種名為無損3D病理學(xué)的工作流程，旨在生成一致、高質(zhì)量的3D病理學(xué)數(shù)據(jù)集，以推動(dòng)其在臨床和臨床前研究中的應(yīng)用。

工作流程
1、組織制備（染色和光學(xué)透明化）
使用類似于傳統(tǒng)H&E染色的方法，用核染料（TO-PRO-3）和細(xì)胞質(zhì)染料（伊紅）對(duì)組織進(jìn)行染色，然后用乙基肉桂酸酯（ECi）使組織透明，以便進(jìn)行高通量體積顯微鏡檢查。這種使用小分子染料的方法對(duì)于厚組織的有效滲透至關(guān)重要。

2、3D顯微鏡成像
光片顯微鏡是該流程的理想成像平臺(tái)，它能夠快速、溫和地對(duì)透明化的標(biāo)本進(jìn)行成像。研究團(tuán)隊(duì)最初開發(fā)是用于開頂光片（OTLS）顯微鏡，其照明和收集光學(xué)器件放置在平面樣本下方，特別適合任意大小和形狀的病理標(biāo)本成像。此外，通過使用3D“微球”模型和自動(dòng)方法來量化顯微鏡的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，可以建立每個(gè)顯微鏡系統(tǒng)的基線性能，并確定理想的成像條件，如考慮探測器計(jì)數(shù)、光漂白等。

3、數(shù)據(jù)處理
對(duì)于毫米到厘米級(jí)組織的整體3D數(shù)據(jù)集，首先通過在一個(gè)主要方向（垂直或水平）掃描標(biāo)本生成3D 空間數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)“拼接和融合”，以創(chuàng)建一個(gè)整體3D體數(shù)據(jù)。之后，可以將3D整體數(shù)據(jù)集進(jìn)行虛擬染色處理，以模擬標(biāo)準(zhǔn)H&E組織學(xué)的粉色和紫色外觀，便于病理學(xué)家解讀。

4、質(zhì)量控制
這是確保大規(guī)模研究中數(shù)據(jù)集始終保持高質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。包括評(píng)估分辨率、對(duì)比度和均勻性等定量方法，以提供滿足病理學(xué)家期望的高質(zhì)量假彩色成像結(jié)果所需的數(shù)據(jù)質(zhì)量水平建議。這些指標(biāo)也反映了有效下游計(jì)算分析所需的質(zhì)量水平。

應(yīng)用場景與案例
1、腫瘤學(xué)領(lǐng)域
★ 前列腺癌研究的重大突破
無損3D病理學(xué)在前列腺癌的診斷和研究中展現(xiàn)出了卓越的能力。研究人員利用該技術(shù)對(duì)不同大小的前列腺癌標(biāo)本進(jìn)行檢測，通過精確的3D成像，能夠細(xì)致觀察前列腺組織中癌細(xì)胞的分布、腺體結(jié)構(gòu)的變化以及細(xì)胞核的形態(tài)特征。這不僅有助于更準(zhǔn)確地進(jìn)行格里森分級(jí)，減少分級(jí)過程中的不確定性，還為后續(xù)治療方案的制定提供了關(guān)鍵依據(jù)。例如，在活檢樣本的研究中，3D病理學(xué)清晰地呈現(xiàn)出腫瘤組織的微觀結(jié)構(gòu)，幫助醫(yī)生更精準(zhǔn)地判斷病情嚴(yán)重程度，從而制定個(gè)性化的治療策略。

★ 乳腺癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的精準(zhǔn)評(píng)估
對(duì)于乳腺癌患者，淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移情況是判斷預(yù)后和制定治療方案的重要因素。無損3D病理學(xué)在這方面發(fā)揮了重要作用，它能夠?qū)φ麄�(gè)淋巴結(jié)進(jìn)行全面的3D成像，準(zhǔn)確測量轉(zhuǎn)移灶的大小、位置和形態(tài)。與傳統(tǒng)2D病理學(xué)相比，3D病理學(xué)避免了因切片局限性而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)移灶低估問題，為臨床醫(yī)生提供了更全面、準(zhǔn)確的信息，有助于制定更精準(zhǔn)的治療計(jì)劃，提高患者的治療效果和生存率。

★ 食管癌診斷的高效助力
在食管癌的診斷中，無損3D病理學(xué)結(jié)合深度學(xué)習(xí)技術(shù)，顯著提高了檢測的敏感性。通過對(duì)大量食管組織樣本的3D成像，能夠更清晰地觀察食管黏膜的病變情況，早期發(fā)現(xiàn)微小的腫瘤病灶。同時(shí)，該技術(shù)減少了病理學(xué)家的工作量，提高了診斷效率，為食管癌的早期診斷和治療贏得了寶貴時(shí)間。

2、臨床前研究
★ 肝臟細(xì)胞培養(yǎng)與藥物篩選
在肝臟疾病研究和藥物研發(fā)領(lǐng)域，為3D小鼠肝細(xì)胞培養(yǎng)的研究提供了有力支持。通過對(duì)肝細(xì)胞培養(yǎng)物的3D成像，研究人員能夠觀察細(xì)胞在三維空間中的生長、分布和相互作用，模擬體內(nèi)肝臟組織的微環(huán)境。這有助于更準(zhǔn)確地評(píng)估藥物對(duì)肝臟細(xì)胞的作用效果，篩選出更有效的藥物分子，為肝臟疾病的治療提供更多的藥物選擇。

★ 腎臟結(jié)構(gòu)與功能研究
在腎臟研究方面，可對(duì)整個(gè)小鼠腎臟進(jìn)行不同尺度的成像，清晰地展示腎小球的結(jié)構(gòu)和功能。這對(duì)于研究腎臟疾病的發(fā)病機(jī)制、評(píng)估藥物對(duì)腎臟的影響以及開發(fā)新的腎臟治療方法具有重要意義。例如，在評(píng)估腎臟疾病模型中腎小球的損傷程度和修復(fù)過程時(shí)，3D病理學(xué)能夠提供全面、詳細(xì)的信息，幫助研究人員深入了解腎臟疾病的病理生理過程。

★ 皮膚藥物遞送研究
在皮膚疾病治療研究中，被用于評(píng)估可溶性微針陣列在小鼠皮膚中的藥物遞送效果。通過3D成像技術(shù)，可以觀察微針在皮膚中的穿透深度、藥物釋放位置以及對(duì)皮膚組織的影響，為優(yōu)化皮膚藥物遞送系統(tǒng)提供了重要依據(jù)，有助于提高皮膚疾病治療的效果和安全性。

3、其他醫(yī)學(xué)領(lǐng)域
★ 法醫(yī)學(xué)中的虛擬解剖技術(shù)
在法醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D病理學(xué)技術(shù)為虛擬解剖提供了可能。通過進(jìn)行非侵入性的3D成像，能夠清晰地觀察骨骼、血管等解剖結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)潛在的損傷和病變。這不僅可以在不破壞完整性的前提下獲取關(guān)鍵信息，還能為法醫(yī)鑒定提供更準(zhǔn)確、全面的依據(jù)，有助于解決復(fù)雜的法醫(yī)案件。

★ 心血管疾病研究的新視角
在心血管疾病研究中，3D病理學(xué)可以對(duì)心臟組織和血管進(jìn)行三維成像，幫助醫(yī)生觀察血管壁的厚度變化、斑塊的形成和分布，以及心臟組織結(jié)構(gòu)的異常。這有助于深入了解心血管疾病的發(fā)病機(jī)制，為疾病的早期診斷和治療提供重要支持。

★ 神經(jīng)科學(xué)研究的有力工具
在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，3D病理學(xué)能夠展現(xiàn)神經(jīng)細(xì)胞在大腦組織中的三維分布和連接情況，為研究神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病理機(jī)制提供了全新的視角。例如，在研究阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病時(shí)，通過3D成像技術(shù)可以觀察到神經(jīng)細(xì)胞的損傷和丟失情況，以及神經(jīng)纖維纏結(jié)的分布，為疾病的診斷和治療研究提供重要線索。

與其他方法的比較
與無損3D顯微鏡的透明組織成像相比，自動(dòng)化連續(xù)切片顯微鏡是另一種選擇，它通過從厚標(biāo)本中快速切割薄組織切片來獲得2D圖像。雖然這種方法無需化學(xué)透明處理，但可能引入切片偽影，并使3D體積的重建變得復(fù)雜。在標(biāo)記協(xié)議方面，抗體染色是臨床組織中小分子染色的主要替代方法，但抗體擴(kuò)散到厚組織中可能非常緩慢，染色協(xié)議也較為復(fù)雜。

此外，還有多種光片顯微鏡的替代方法，如共聚焦和多光子顯微鏡等點(diǎn)掃描技術(shù)。這些商業(yè)點(diǎn)掃描系統(tǒng)在核心設(shè)施中廣泛可用，但成像速度相對(duì)較慢，且一些激光掃描模式，特別是共聚焦顯微鏡，光效率較低。

總結(jié)與展望
3D病理學(xué)能夠提供更豐富的組織信息，包括組織的三維結(jié)構(gòu)、細(xì)胞間的空間關(guān)系以及病變?cè)谌�維空間中的分布情況。這有助于病理學(xué)家更全面、準(zhǔn)確地理解疾病的病理過程，做出更精準(zhǔn)的診斷。3D病理學(xué)技術(shù)在提高診斷準(zhǔn)確性的同時(shí)，還能夠減少因樣本制備和觀察方法的局限性而導(dǎo)致的誤診和漏診。在臨床前研究和藥物研發(fā)中，3D病理學(xué)能夠更真實(shí)地模擬體內(nèi)環(huán)境，為研究細(xì)胞行為、藥物作用機(jī)制和疾病模型提供更有效的平臺(tái)，有助于加速新藥研發(fā)進(jìn)程，降低研發(fā)成本。

但3D病理學(xué)技術(shù)對(duì)設(shè)備和技術(shù)要求較高，需要配備先進(jìn)的顯微鏡系統(tǒng)、強(qiáng)大的計(jì)算設(shè)備和專業(yè)的圖像處理軟件。數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)是3D病理學(xué)面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)。盡管3D病理學(xué)技術(shù)在不斷發(fā)展，但目前仍缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，這在一定程度上限制了其在臨床實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用和推廣。不同實(shí)驗(yàn)室和研究機(jī)構(gòu)之間的技術(shù)差異可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的可比性和重復(fù)性受到影響。

3D病理學(xué)作為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性技術(shù)，已經(jīng)在疾病診斷、研究和治療等方面取得了顯著的成果。盡管目前仍面臨一些挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步、應(yīng)用領(lǐng)域的拓展以及相關(guān)問題的逐步解決，其未來發(fā)展前景十分廣闊。相信在不久的將來，3D病理學(xué)將為人類健康事業(yè)帶來更大的福祉，推動(dòng)醫(yī)學(xué)向更精準(zhǔn)、個(gè)性化的方向發(fā)展。

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。文章來源于：Kevin W. Bishop, Lindsey A. Erion Barner, Qinghua Han, Elena Baraznenok, Lydia Lan, Chetan Poudel, Gan Gao, Robert B. Serafin, Sarah S. L. Chow, Adam K. Glaser, Andrew Janowczyk, David Brenes, Hongyi Huang, Dominie Miyasato, Lawrence D. True, Soyoung Kang, Joshua C. Vaughan & Jonathan T. C. Liu;An end-to-end workflow for nondestructive 3D pathology;https://doi.org/10.1038/s41596-023-00934-4.