
利用核酸吸收产生细胞核图像
成均馆大学(Sungkyunkwan University)等机构在 Small 报道一种带轴向扫描的紫外光声显微成像系统 UV-PAM-Z。核酸吸收紫外脉冲光后产生声信号,仪器据此显示细胞核,减少对外加染料和组织切片的依赖。
团队希望用细胞核面积、直径和形态变化评估损伤。研究采用人诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)衍生皮质脑类器官,并先比较光声图像与 DAPI 染色,再在完整组织中测试乙醇处理。
系统以 266 nm 激发,实验测得横向分辨率约 278 nm、轴向分辨率约 25.6 μm。轴向调焦用于追踪组织表面和不同深度,让完整样本中的局部细胞核保持可辨。
先在同一组织切片上比较染色图像
验证实验使用约 95 天的脑类器官切片,先做无标记光声成像,再用 DAPI 染色。两个方式在同一局部区域检测到的细胞核数量分别为 485 和 534,平均核面积和直径分布较接近。
部分对应细胞核的边缘信号和位置也较吻合。作者认为,后续染色、洗涤及固定可能导致轻微形变,解释了部分匹配差异;这一比较为无标记核形态测量提供了参照。
在切片参照中,光声与 DAPI 图像对应核的平均位置偏差约为 0.86 μm。研究通过同一区域的信号轮廓和核边缘比较,检查无标记图像能否用于局部形态量化。
完整组织成像重点仍在表层区域
团队随后对直径约 2 mm、培养约 96 天的完整活类器官成像。在表面局部区域可以识别大量单个细胞核,通过多焦面扫描显示不同深度的信号。
超过约 100 μm 后,中央区域信号明显减弱。用于形态量化的区域主要位于可清楚观察的表层,作者也说明深度方向的信号重叠仍可能影响投影图中的核大小与形状。
目前一个 100×100 μm 代表视野的采集约需 30 秒,调整扫描步长后可缩短至约 15 秒。进一步提升扫描速度和深部成像能力,是后续技术优化方向。
在选定的 0.9×0.9 mm 表层区域,团队将图像划分为 9 个子区,比较局部核面积和直径分布。多区域分析帮助判断局部取样是否代表这一可见区域,后续损伤实验则使用较小的标准视野。
乙醇处理后,细胞核缩小并出现碎裂
损伤实验以 2% 体积分数乙醇处理 6 小时,设置 7 个处理类器官和 7 个参照类器官。团队在相同成像条件下,记录面积、最大卡尺直径和圆度,以每个类器官的平均值进行组间统计。
处理组细胞核平均面积从约 42.46 降至 22.87 μm²,最大卡尺直径从约 8.84 降至 7.00 μm,圆度从约 0.83 降至 0.78。图像还可见核变形和碎裂,另外的凋亡及 DNA 损伤相关染色增强。
作者用急性乙醇处理诱导可测量的结构损伤,检验系统能否识别细胞核的形态变化。后续药物研究可采用同样的局部区域比较,再针对具体化合物设置浓度和处理时间。
作者另外用 5 个参照类器官比较自动分割结果与人工标注的细胞核边界。像素层面的 Dice 相似系数约为 0.93;调整分割阈值后,核形态变化的趋势仍相近,说明结果在所测阈值范围内较稳定。
分类时按类器官划分训练与测试
分类分析共纳入 625 个细胞核,来自 14 个类器官。团队使用线性支持向量机,每次留下 1 个处理和 1 个参照类器官作测试,其余用于训练;同一类器官的细胞核不会同时进入两组。
结合面积、直径和圆度后,7 轮交叉验证的平均准确率约为 83.6%,平均 ROC 曲线面积约为 0.85。不同特征组合的分类表现相近。
这些数字对应乙醇处理与参照核的分类。当前样本来自单一类器官模型和处理条件,作者提出增加其他药物、患者来源及类器官体系,检验检测能否稳定扩展。
每轮先计算留出的类器官对的分类性能,再对各轮结果取平均;ROC 曲线则汇总各轮测试集中细胞核的预测结果绘制。按类器官划分数据,可减少同一组织的相似细胞核同时进入训练和测试所带来的偏差。
重复活体观察还需评估紫外照射影响
论文另外比较成像后类器官的存活与代谢活性:各组 5 个样本,未发现显著差异,但活死染色的平均存活比例在照射组较低。作者指出,整体检测可能低估表面局部影响。
因此,本次技术主要用于预设终点的核形态比较。若要持续追踪同一活组织,还需优化光照和扫描,进一步测量局部细胞反应及较长时间的成像后状态。
紫外照射后,活死染色平均存活比例约为 59%,未照射参照约为 73%;MTT 所测代谢活性则约为参照的 97%。两种检测描述不同方面,作者据此提出进一步观察局部和延迟影响。