CytoViva無(wú)標(biāo)記納米高光譜顯微成像系統(tǒng)在數(shù)字病理學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用

數(shù)字病理學(xué)是病理學(xué)中發(fā)展最快的研究領(lǐng)域之一，專注于標(biāo)本載玻片的數(shù)字化分析。通過(guò)將病理切片的光學(xué)圖像數(shù)字化，計(jì)算機(jī)的軟件學(xué)習(xí)，應(yīng)用于改善各種疾病的診斷、預(yù)后和預(yù)測(cè)。

今天，病理切片的數(shù)字化主要集中在獲取傳統(tǒng)H&E染色切片的簡(jiǎn)單光學(xué)顯微鏡圖像，再通過(guò)軟件將這些圖像拼接在一起，以便根據(jù)RGB（紅、綠、藍(lán)）顏色通道或組織形狀對(duì)它們進(jìn)行分析。雖然與傳統(tǒng)的組織定性觀察相比，該過(guò)程可以提高疾病診斷的準(zhǔn)確性，但相對(duì)于其他成像方式而言，它仍是有限的。

高光譜顯微成像技術(shù)蘊(yùn)藏著數(shù)字病理學(xué)的巨大飛躍。高光譜圖像是看起來(lái)與傳統(tǒng)數(shù)字化光學(xué)圖像非常相似但有非常顯著差異的數(shù)字圖像。高光譜圖像的每個(gè)像素都包含400 nm-1000 nm的完整可見(jiàn)近紅外(VNIR)光譜。該光譜數(shù)據(jù)可以在約2 nm的高光譜分辨率下產(chǎn)生，像素尺寸可以小至100 nm（具體取決于用于圖像捕獲的相機(jī)）。與簡(jiǎn)單的數(shù)字光學(xué)圖像相比，高光譜圖像中隱藏的令人難以置信的豐富數(shù)據(jù)，為增強(qiáng)各種疾病組織狀態(tài)的數(shù)字化表征提供了機(jī)會(huì)。
本應(yīng)用中的示例用于說(shuō)明高光譜顯微成像技術(shù)在病理學(xué)研究中的簡(jiǎn)單應(yīng)用。圖1顯示了在傳統(tǒng)明場(chǎng)顯微下H&E染色的鱗狀細(xì)胞癌組織的高光譜圖像。圖2是同一組織的陰性對(duì)照（非癌組織）高光譜圖像。圖3是癌組織的高光譜映射圖像，所有綠色映射的像素點(diǎn)都包含組織癌性元素特有的光譜。用于光譜映射的光譜是使用過(guò)濾光譜庫(kù)的專有學(xué)習(xí)算法來(lái)得到，通過(guò)比較陽(yáng)性對(duì)照樣品中的數(shù)千個(gè)像素與陰性對(duì)照樣品中的所有像素來(lái)確定。該算法識(shí)別了癌性元素獨(dú)有的光譜，并創(chuàng)建為光譜庫(kù)。然后使用光譜角映射算法，根據(jù)創(chuàng)建的光譜庫(kù)映射癌性元素。在圖4中，顯示了一個(gè)示例平均光譜，以說(shuō)明對(duì)照組織與癌組織映射區(qū)域之間的細(xì)微光譜差異。
借助CytoViva的高光譜顯微成像技術(shù)，我們還可以根據(jù)組織的內(nèi)源光譜來(lái)表征疾病與健康組織，無(wú)需任何傳統(tǒng)染色或其他樣品制備。這通常使用CytoViva的增強(qiáng)型暗場(chǎng)顯微成像系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)用于從組織中產(chǎn)生高對(duì)比度的散射效應(yīng)，并不受光源照明的干擾。在上面的第二個(gè)示例中，圖5顯示了一期胰腺癌組織的增強(qiáng)暗場(chǎng)高光譜圖像。圖6是陰性對(duì)照胰腺組織樣本（無(wú)癌癥）。就像在染色組織示例中一樣，使用光譜過(guò)濾算法來(lái)識(shí)別未染色胰腺癌組織的癌性成分所特有的光譜特征。得到了基于圖7所示的獨(dú)特光譜特征的癌性成分映射。圖8顯示了胰腺陰性對(duì)照組織與胰腺癌組織的映射區(qū)域之間的平均光譜差異。

這兩個(gè)例子說(shuō)明了高光譜顯微成像技術(shù)如何輕松應(yīng)用于定量識(shí)別傳統(tǒng)染色和未染色環(huán)境中的癌性成分。本系統(tǒng)和分析原理可以應(yīng)用于許多不同的組織樣本，以識(shí)別廣泛的疾病狀態(tài)。
  CytoViva是由美國(guó)Auburn大學(xué)與Aetos技術(shù)有限公司合作成立，具有高校和軍事公司背景，CytoViva納米高光譜成像技術(shù)最初是由美國(guó)國(guó)防部和美國(guó)宇航局空間衛(wèi)星航空成像開(kāi)發(fā)的技術(shù)發(fā)展而來(lái)，該公司創(chuàng)造性的將該技術(shù)與增強(qiáng)型暗場(chǎng)技術(shù)結(jié)合并應(yīng)用于微觀層面，使其成為一個(gè)專有、集成的系統(tǒng)，能夠在納米尺度上對(duì)材料、藥物、生命單元、活性大分子、環(huán)境污染物等進(jìn)行高光譜成像及定性定量分析。

CytoViva納米高光譜成像技術(shù)2005年一經(jīng)面市，就在2006年和2007年連續(xù)兩屆獲得著名的R&D100大獎(jiǎng)，07年同年獲得Nano50TM獎(jiǎng)，在09年獲得了兩項(xiàng)美國(guó)專利，專利號(hào)7542203和7564623，并迅速得到全球各個(gè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、科研機(jī)構(gòu)及大型制藥企業(yè)的認(rèn)可，包括FDA， NASA， NIST， NIH， EPA， USDA， NIOSH， Lawrence Berkeley Labs， Dow Chemical，Merck， Johnson& Johnson， Stanford， Duke， Harvard等等。