在活类器官中观察结构和细胞活动
法国巴黎视觉研究所（Institut de la Vision）、朗之万研究所（Institut Langevin）等机构与美国合作者，研究了人诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSC）来源视网膜类器官的动态成像。这项研究于 2019 年 12 月公开预印本，2020 年 8 月正式发表于 Light: Science & Applications。
视网膜类器官可用于疾病研究和药物筛选，模型内部的细胞状态却不容易连续观察。固定、切片或额外标记会限制后续跟踪。研究采用动态全场光学相干断层成像（dynamic full-field optical coherence tomography，D-FFOCT），利用细胞内运动造成的散射光波动显示活动差异。
传统 OCT 主要显示组织对光的散射强弱。动态方法则在同一平面连续采集影像，再从时间序列中提取变化；沿深度逐层采集后，还能重建三维结构。实验装置的横向分辨率约 0.5 μm、轴向分辨率约 1.7 μm，可以观察类器官内的细胞及部分亚细胞结构。
动态图像显示发育中的细胞群变化
每幅动态图像通常由 512 帧影像计算而成。研究把波动幅度转换为明暗，把信号变化的频率转换为颜色：慢变化偏蓝，快变化偏红，中间频率偏绿。色彩饱和度还包含频率分布宽度的信息，频带较宽的噪声趋于灰色。
第 28 天的视网膜类器官中，三维影像显示了早期视泡样结构和内部祖细胞的排列。团队在约 50 μm 深度跟踪同一平面 3 小时，观察到相邻细胞群具有不同活动特征，群体间的边界也随时间变化。个别细胞出现强活动后消失，作者将其解释为可能发生凋亡。
在第 147 天模型中，快速成像显示了细胞的玫瑰花结样排列、光感受器相关结构及细胞核的动态差别。不同发育阶段的影像提供了组织内部的连续观察窗口；细胞身份的判断同时结合了形态、发育阶段和荧光参照。
荧光参照核对死细胞和光感受器区域
为了核实动态信号与细胞状态的关系，团队把 D-FFOCT 和荧光成像接入同一系统，并对齐两种影像。第 29 天类器官中，死细胞核染料标出的两个区域，在动态影像中都呈现很低的活动信号。
第 126 天类器官的另一项比较采用光感受器报告荧光。荧光标出的区域与具有特定动态特征的细胞群重合，帮助识别它们与周围细胞的差别。原图展示的是这些对应关系，所用颜色分别来自动态信号处理与荧光通道。
动态信号的具体来源尚未完全确定。作者的初步实验提示线粒体可能参与其中，但高尔基体、溶酶体、囊泡和色素等也可能贡献动态信号。论文尚未确定这些来源各自的作用。
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快速二维成像与定量处理采用不同方案
研究采用的离线处理以信号功率谱计算频率和幅度。另一种 GPU 实时算法可使二维动态图像约每 20 ms 更新 1 幅，但更容易受噪声影响，而且不再具有同样的定量含义。三维体积需要逐层采集，第一层与最后一层之间可能相隔数分钟。
相机采集速度也影响信噪比。在固定帧数下，过快采集会减少细胞内运动造成的信号差异，研究据此选用约 100 Hz 的相机帧率。长时间观察还存在缓慢机械漂移；团队用平面锁定和图像配准补偿，减少观察位置随时间移动带来的影响。
这种测量允许观察后的类器官继续培养，也可与后续固定和传统检测衔接。作者计划进一步利用动态特征做自动细胞分类，但当时仍缺少足够的细胞分割和身份标注数据。论文已经完成的是活体结构与活动成像及相应荧光核对，自动分类仍是后续方向。
来源与延伸阅读
- Dynamic full-field optical coherence tomography: 3D live-imaging of retinal organoids. Light: Science & Applications. 2020. doi:10.1038/s41377-020-00375-8 ↗
- Dynamic full-field optical coherence tomography: 3D live-imaging of retinal organoids. arXiv:1912.04052v1. Submitted 5 December 2019. ↗