生物組織是具有眾多特異性細(xì)胞到器官功能單元的復(fù)雜分級(jí)三維結(jié)構(gòu)陌粹。空間關(guān)系福压、三維形態(tài)以及這些長(zhǎng)度尺度內(nèi)和跨尺度的相互作用共同為生物功能提供了基礎(chǔ)掏秩。因此，將單個(gè)細(xì)胞的空間結(jié)構(gòu)和形態(tài)映射到完整器官的尺度是理解健康或疾病中系統(tǒng)級(jí)行為的依據(jù)荆姆。
完整人類(lèi)器官整體三維成像，再局部放大至細(xì)胞級(jí)
技術(shù)背景：
生物組織是具有眾多特異性細(xì)胞到器官功能單元的復(fù)雜分級(jí)三維結(jié)構(gòu)抒和。空間關(guān)系、三維形態(tài)以及這些長(zhǎng)度尺度內(nèi)和跨尺度的相互作用共同為生物功能提供了基礎(chǔ)彤蔽。因此摧莽，將單個(gè)細(xì)胞的空間結(jié)構(gòu)和形態(tài)映射到完整器官的尺度是理解健康或疾病中系統(tǒng)級(jí)行為的依據(jù)。
現(xiàn)有成像顿痪、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)镊辕、分析技術(shù)無(wú)法在單細(xì)胞水平上繪制整個(gè)人體器官。更可行的方法是以較低的分辨率獲得整體空間分布蚁袭，然后在其基礎(chǔ)上選擇感興趣區(qū)域進(jìn)行更高分辨率的成像征懈，這種類(lèi)型的成像可以被認(rèn)為是分級(jí)成像。目前撕阎，分級(jí)成像通常涉及在高分辨率成像之前對(duì)較大樣本進(jìn)行物理二次采樣受裹。物理子采樣對(duì)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和收集正確或代表性子樣本的要求帶來(lái)了挑戰(zhàn)。
當(dāng)前對(duì)完整器官實(shí)現(xiàn)多尺度三維成像的探索技術(shù)有光透明結(jié)合光片顯微鏡或光學(xué)投影層析虏束、高分辨率核磁共振棉饶、多光束電子顯微鏡等。然而镇匀，對(duì)完整的成年人類(lèi)器官實(shí)現(xiàn)光透明需要數(shù)月的時(shí)間照藻，此時(shí)組織形態(tài)已經(jīng)發(fā)生了變化，且光片顯微鏡目前無(wú)法對(duì)完整狀態(tài)的整個(gè)器官進(jìn)行成像汗侵。高分辨率核磁共振在離體人腦可實(shí)現(xiàn)100um每體素的分辨率幸缕，但是耗時(shí)約100小時(shí)群发，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)細(xì)胞級(jí)分辨率。多光束電子顯微鏡可以提供從細(xì)胞到亞細(xì)胞尺度的人體組織圖像发乔，但不能完成完整器官成像所需的體積采集熟妓。
同步加速器X射線層析(synchrotron X-ray tomography,sCT)是一種很有前途的方法，可以在細(xì)胞水平上對(duì)整個(gè)人體器官進(jìn)行成像栏尚。X 射線由于其穿透深度和波長(zhǎng)短起愈，本質(zhì)上適合于對(duì)不同長(zhǎng)度尺度進(jìn)行成像。目前已有在32mm直徑組織實(shí)現(xiàn)約5um分辨率译仗、在1mm直徑果蠅腿內(nèi)實(shí)現(xiàn)87nm分辨率的報(bào)道抬虽，但是未實(shí)現(xiàn)分級(jí)分辨率。局部斷層掃描或變倍(zoom)層析是一種成熟的同步加速器技術(shù)纵菌，可以實(shí)現(xiàn)分級(jí)掃描阐污。雖然它已被開(kāi)發(fā)用于小型(500μm)生物組織樣本，但經(jīng)常使用造影劑咱圆，如鋇或鋨笛辟。對(duì)于染色更具挑戰(zhàn)性的大型物體，局部層析僅限于具有高密度差異的物體序苏，例如在骨骼或化石遺骸中發(fā)現(xiàn)的物體隘膘。在人體器官等大型軟組織中，還沒(méi)有成熟的sCT 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心軸的細(xì)胞級(jí)分辨率杠览。基于相襯的sCT纵势，理論上可以應(yīng)用于大型軟組織成像踱阿。然而，這需要高能X射線束來(lái)穿透大樣本钦铁，再加上解析細(xì)胞細(xì)節(jié)所需的高相干性和通量(以及足夠大的光束大小以在合理的時(shí)間范圍內(nèi)掃描整個(gè)器官)软舌，在第四代同步輻射源出現(xiàn)之前，不可能在任何一個(gè)單獨(dú)的同步輻射源光線束上實(shí)現(xiàn)牛曹。
當(dāng)前不足：
當(dāng)前還沒(méi)有能夠在一套設(shè)備上對(duì)完整人類(lèi)器官實(shí)現(xiàn)從整體到細(xì)胞級(jí)成像的技術(shù)手段佛点。
文章創(chuàng)新點(diǎn)：
基于此，英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的C.L. Walsh黎比，歐洲同步輻射設(shè)施的P. Tafforeau,德國(guó)海德堡大學(xué)的W.L. Wagner等人提出了基于歐洲同步輻射裝置(European Synchrotron Radiation Facility, ESRF)極亮光源(extremely brilliant source, EBS)的分級(jí)相襯層析(hierarchical phase-contrast tomography, HiP-CT)技術(shù)超营。這種技術(shù)可以在三維視圖中看到完整人類(lèi)器官內(nèi)的細(xì)小血管以及一些特定的細(xì)胞。
原理解析：
結(jié)合局部層析和全息術(shù)阅虫，利用ESRF-EBS的高亮度和高相干特性演闭，在BM05光束線站上對(duì)拍攝樣品進(jìn)行脫水及物理固定后，首先對(duì)整個(gè)器官以低分辨率(如25um/體素)進(jìn)行掃描颓帝，然后選定感興趣的體積區(qū)域(VOI)以高分辨率(如6.5um米碰、1.3um-2.5um/體素)進(jìn)一步掃描窝革，完成分級(jí)成像。25um分辨率完成全腦掃描需要16h吕座，腎臟則是約3.5h虐译。
視頻1：完整人腦的多尺度HiP-CT成像
參考文獻(xiàn)：Walsh, C.L., Tafforeau, P., Wagner, W.L. et al. Imaging intact human organs with local resolution of cellular structures using hierarchical phase-contrast tomography. Nat Methods (2021).
DOI：https://doi.org/10.1038/s41592-021-01317-x
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