哥伦比亚大学工程团队开发了一种技术，可以用活体内的实时成像取代传统的活检和组织学。发表在《Nature Biomedical Engineering》上的一篇新论文“High-speed light-sheet microscopy for the in-situ acquisition of volumetric histological images of living tissue”中描述了MediSCAPE是一种能够捕捉组织结构图像的高速3D显微镜，可以引导外科医生导航肿瘤及其边界，而不需要切除组织，等待病理学结果。

https://www.nature.com/articles/s41551-022-00849-7

对于许多医疗程序，特别是癌症手术和筛查，医生通常会取活检，切下小块组织，以便能够用显微镜仔细观察它们。哥伦比亚大学生物医学工程和放射学教授、该研究的资深作者Elizabeth Hillman说：“活检样本的处理方式在100年来没有改变，它们被切下、固定、包埋、切片、染色、定位在载玻片上，并由病理学家使用简单的显微镜进行观察。这就是为什么在活检后需要几天才能听到关于诊断结果的消息。”

Hillman的研究小组设想着一个大胆的替代方案，想知道他们是否可以在组织仍然在体内的时候捕捉它的图像。她解释说：“这样的技术可以让医生实时反馈他们正在观察的组织类型，而无需长时间等待。这个即时的答案将让他们对如何最好地切出一个肿瘤做出明智的决定，并确保没有留下任何东西。”

该方法的另一个主要好处是，切出组织，只是为了弄清楚它是什么，对医生来说是一个艰难的决定，尤其是对于大脑、脊髓、神经、眼睛和面部区域等珍贵的组织。这意味着医生可能错过重要的疾病领域。Hillman说：“因为我们可以对活组织进行成像，而不将其切掉，我们希望MediSCAPE将那些决定变成过去的事情。”

尽管一些用于手术引导的显微镜已经可用，但它们只给医生一个小的、单一的2D平面的图像，使得快速检查更大的组织区域和解释结果变得困难。这些显微镜一般也需要将一种荧光染料注入患者体内，这需要时间，会限制它们对某些患者的使用。

在过去的十年里，Hillman一直在开发用于神经科学研究的新型显微镜，可以非常快速地捕获活样本的3D图像，如微小的蠕虫、鱼、和果蝇来观察它们的大脑和身体中的神经元在移动时是如何发射的。研究小组决定测试他们的技术，称为SCAPE（用于扫描共聚焦平面激发显微镜）是否可以在身体其他部位的组织中看到任何有用的东西。

“我们观察的第一个组织之一是新鲜的小鼠肾脏，我们惊讶地看到了华丽的结构，看起来非常像你得到的标准组织学，”Kripa Patel说，他是Hillman实验室的博士研究生，也是这项研究的主要作者。“最重要的是，我们没有给小鼠添加任何染料——我们看到的一切都是组织中的自然荧光，通常太弱无法看到。我们的显微镜是如此高效，以至于我们可以很好地看到这些微弱的信号，即使我们也以足够快的速度对整个3D体积进行成像，实时漫游，就好像我们拿着手电筒一样，扫描组织的不同区域。”

当她“四处游走”时，Patel甚至可以将采集的体积拼接在一起，并将数据变成病理学家可以检查的组织的大型3D表示，就好像它是一盒完整的组织学载玻片。

“这是我没想到的事情——我实际上可以从不同的角度观察3D中的结构，”合作者、哥伦比亚大学医学中心肾脏病理学家Shana Coley博士说。“我们发现了许多例子，我们无法从组织学载玻片上的2D切片中识别结构，但在3D中我们可以清楚地看到其形状。尤其是在肾脏病理学中，我们通常使用非常有限的组织，从样本中获得的信息越多，提供更有效的患者护理越好。”

研究小组证明了MediSCAPE在广泛应用中的力量，从分析小鼠的胰腺癌，到Coley对肾脏等人体移植器官的无损、快速评估的兴趣。Coley帮助研究小组从人类肾脏中获取新鲜样本，以证明MediSCAPE可以看到与传统组织学图像非常匹配的肾病迹象。

研究小组还意识到，通过对体内存活的组织进行成像，他们可以获得比无生命切除活检更多的信息。他们发现，他们实际上可以可视化流经组织的血流，并看到缺血和再灌注的细胞水平效应（切断肾脏的血液供应，然后让其回流）。

Hillman说：“了解组织是否保持健康，并在手术过程中获得良好的血液供应真的很重要。我们还意识到，如果我们不必去除（并杀死）组织来观察它们，我们可以为MediSCAPE找到更多的用途，甚至可以回答‘这是什么组织？’等简单问题。或在珍贵的神经周围导航。这两种应用对于机器人和腹腔镜手术都是非常重要的，在这些手术中，外科医生识别和直接与组织相互作用的能力更加有限。”

团队的最后一个关键步骤是将Hillman实验室中的标准SCAPE显微镜的大幅面缩小到适合手术室并可由外科医生用于人体的东西。博士后Wenxuan Liang与团队合作，开发出外形因子更好的更小版本的系统，以及无菌成像帽。博士候选人Malte Casper帮助获得了该团队在活体中首次演示MediSCAPE，收集了口腔内和口腔周围一系列组织的图像。

急于以更大规模的临床试验将这项技术带到下一个层次，该团队目前正在致力于商业化和FDA批准。Hillman补充道，“我们只是如此惊讶地看到MediSCAPE每次在新组织上使用时都会揭示什么，尤其是我们几乎从未需要添加染料或染色来看到病理学家能够识别的结构。”

Hillman和她的团队希望MediSCAPE能让标准的组织学成为过去，把实时组织学和决策的力量放到外科医生手中。