OCT 观察组织层次,高光谱成像推定视黄醇和视黄酸信号分布,FLIM 观察 NADH 状态;三类观察与固定后的组织学及免疫染色对应。
活体结构、内源光谱与代谢相关成像的比较示意。(NAMs China)

在活体样本中同时观察结构和代谢

美国南加州大学(University of Southern California)和洛杉矶儿童医院(Children's Hospital Los Angeles)团队,在 Investigative Ophthalmology & Visual Science 报道了视网膜类器官的多模态成像比较。研究希望在保留组织的情况下观察其发育状态,再与固定后的组织学结果对应。

研究主要使用人胚胎干细胞(human embryonic stem cells,hESC)来源模型,观察培养第 46、89 和 151 天的样本。诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)来源类器官另用于重复部分成像观察,相关结果列于补充图。

OCT 能辨认晚期条带,microCT 未显示细胞分层

光学相干断层成像(optical coherence tomography,OCT)利用组织反射信号显示内部结构。第 151 天的 4 个类器官均出现表层低反射条带,第 89 天的 4 个则均未出现,两组差异的 P 值为 0.029。

第 46 天样本中也有 1/4 出现低反射信号,但其边界特征与晚期条带不同,作者认为可能是伪信号。晚期条带宽约 25 μm,与组织学中出现的致密层在时间上对应;其含义仍需结合位置和切片判断。

OCT 的条带对扫描方向敏感,向深处成像时还会产生阴影。用于固定样本的显微 CT(microcomputed tomography,microCT)能显示更深的三维结构和空腔边界,却没有在第 151 天样本中辨出细胞层次。

高光谱成像显示外层分子信号逐渐增强

高光谱成像(hyperspectral imaging,HSpec)记录各位置的自发荧光光谱,再通过相量分析与已知分子特征对应。研究据此推定视黄醇、视黄酸和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide,NADH)的空间分布。

随着培养日龄增加,视黄醇和视黄酸相关信号在表层增强、在深层减弱。团队按每个日龄 4 个类器官比较表面与深层兴趣区域;外层信号增强的趋势,与光感受器标志 CRX 出现的位置相对应。

这些结果来自光谱特征与组织位置的对应,反映的是相对信号分布。它们帮助判断光感受器相关区域是否形成,并为同一样本的结构观察补充了分子信息。

FLIM 记录到表层与核心不同的代谢相关特征

荧光寿命成像显微术(fluorescence lifetime imaging microscopy,FLIM)分析内源荧光衰减时间。研究重点观察 NADH 的游离与结合状态,并以两者的比值描述代谢相关变化。

第 46 天类器官中的游离/结合 NADH 比值较低,空间分布较均一。至第 151 天,表面比值升高,核心仍相对较低;外侧高比值区域与光感受器标志和视黄醇信号所处区域接近。作者将这一变化解释为外层细胞的糖酵解相关特征增强。

FLIM 比较在每个日龄使用 4 个类器官,并从 4 个深度采集影像。分析按解剖兴趣区域汇总像素,再比较不同位置和日龄的平均比值;同一类器官内的深度和区域测量描述其空间差别。

代谢影像与细胞标志对应,年龄比较采用不同批次

活体成像之后,团队用组织染色检查细胞身份。第 151 天样本的 CRX 阳性细胞形成较致密的外层,但早期可见的神经节细胞标志 BRN3 已未检出;外侧结构形成与内层细胞保持并非同一过程。

研究在同一组类器官上实施不同成像,以对应各类观察;不同培养日龄的样本则来自不同分化批次。论文比较的是各阶段样本,没有连续数月追踪同一个类器官。

不同 hESC 和 iPSC 制备重复观察到相似的分层和代谢趋势,作者据此认为,批次效应没有明显改变这些主要发现。结果仍反映不同日龄样本之间的差别,单个类器官的连续变化还需要长期观察。

多模态观察为模型选择提供互补信息

OCT 侧重层次结构,HSpec 提供内源分子光谱分布,FLIM 补充代谢相关信号,固定后的染色则检查细胞身份。它们共同帮助研究者判断样本处于何种状态,以及外层、内层和代谢变化是否一致。

本研究未进行候选药物处理或药物反应预测。其具体贡献,是把非破坏性结构观察与代谢相关成像、组织学参照对应起来,为后续疾病及药物研究的样本选择和质量记录提供测量依据。

来源与延伸阅读

  1. Structural and Functional Characterization of Human Stem-Cell-Derived Retinal Organoids by Live Imaging. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 2017. DOI: 10.1167/iovs.16-20796 ↗