Оптическая сверхразрешающая гистология образцов, фиксированных формалином и вмонтированных в парафин: проблемы и возможности

Увидеть больше в хранящихся образцах тканей

Больницы по всему миру хранят тонкие срезы органов пациентов в парафиновых блоках, чтобы болезни, такие как рак или поражение почек, можно было изучать годами. В этой обзорной статье объясняется, как новые типы световых микроскопов превращают эти рутинные образцы в мощные окна в мир заболеваний, выявляя детали, слишком мелкие для стандартных больничных микроскопов. Эти достижения могут помочь врачам обнаруживать болезни раньше, лучше понимать их развитие и точнее подбирать лечение.

Как ткани, сохранённые в парафине, питают современную медицину

Когда пациенту делают биопсию, небольшая часть ткани удаляется, фиксируется в химическом веществе — формалине — чтобы остановить разложение, а затем встраивается в парафиновый воск. Блок нарезают на волосоподобно тонкие срезы, помещают на стеклянные предметные стёкла, окрашивают и исследуют под световым микроскопом. Метод формалин-фиксации с последующей встраиванием в парафин (FFPE) недорог и надёжен, он позволяет хранить образцы десятилетиями при комнатной температуре. В результате миллионы образцов FFPE хранятся в биобанках по всему миру, поддерживая всё — от фундаментальных биологических исследований до продвинутых генетических и белковых анализов, и формируя основу современной диагностики и прогноза.

Почему обычных микроскопов уже недостаточно

Традиционные оптические микроскопы ограничены физикой света: детали мельче примерно 250 нанометров сливаются. Многие структуры, связанные с болезнями — например, тонкие фильтры почек, соединения между нейронами или крошечные изменения в организации ДНК в ядре — находятся ниже этого предела. Современный рабочий процесс часто сочетает обзор при обычной световой микроскопии с электронной микроскопией для нанометровых деталей, но такой подход медленен, дорог и требует совершенно иной подготовки образцов. Поэтому клиницисты и исследователи ищут единый гибкий инструмент, который мог бы быстро сканировать большие площади и при этом увеличивать до нанометровых особенностей в тех же FFPE-секциях, которые они уже используют.

Новые способы повысить резкость изображения

За последние два десятилетия несколько семейств «сверхразрешающих» микроскопов преодолели традиционный предел разрешения, используя флуоресцентные метки и продуманные оптические решения. Методы локализации одиночных молекул переключают молекулы в состояние свечения и определяют их местоположение поодиночке; структурированная иллюминация проецирует полосатые световые узоры на ткань и с помощью вычислений восстанавливает более тонкие детали; подавление вынужденного излучения (STED) вырезает крошечную светящуюся точку с помощью «пончикового» пучка; а подходы на основе флуктуаций анализируют тонкую мерцательную динамику в изображении, чтобы восстановить структуру. Другая стратегия — экспансионная микроскопия — избегает сложной оптики, физически распирая ткань в геле, так что обычные микроскопы могут увидеть ранее невидимые детали. Эти методы уже применялись к FFPE-образцам молочной железы, толстой кишки, поджелудочной железы, почек, мозга, кожи, плаценты и других органов, показывая, как митохондрии меняются в опухолях, как нарушаются почечные фильтры и как формируются белковые сгустки при болезни Альцгеймера.

Препятствия на пути к повседневному применению

Несмотря на перспективы, эти техники ещё не готовы стать рутинными инструментами в большинстве патологоанатомических лабораторий. Многие сверхразрешающие системы медленны, охватывают лишь небольшие поля зрения или требуют десятков тысяч изображений для построения одного высокодетализированного кадра, что непрактично при необходимости осмотреть большие участки ткани. Сами FFPE-ткани оптически сложны: они рассеивают свет, обладают собственной автофлуоресценцией и могут скрывать молекулы, которые необходимо мечтить, — всё это может приводить к размытым изображениям или ложным структурам. Некоторые методы требуют специальных красителей, нестандартных буферов или многоступенчатой химической обработки, что трудно вписать в стандартные гистологические рабочие процессы. Кроме того, коммерческие приборы дороги и сложны в эксплуатации, а получаемые данные требуют интенсивной вычислительной обработки и значительного места для хранения.

Объединение умной оптики и умного ПО

Чтобы преодолеть эти препятствия, исследователи комбинируют улучшенную оптику с безметочной визуализацией и искусственным интеллектом. Высокопроизводительные методы с дифракционным пределом, такие как фурье-птихография и нелинейная оптическая микроскопия, могут быстро сканировать большие, даже неокрашенные FFPE-секции и предоставлять количественные карты структуры ткани. Платформы цифровой патологии теперь захватывают целые предметные стёкла в высоком разрешении и используют машинное обучение для обнаружения опухолей и оценки биомаркеров, таких как HER2, Ki‑67 и PD‑L1. Модели глубинного обучения даже могут преобразовывать изображения низкого разрешения в сверхразрешённые виды, потенциально снижая потребность в некотором специализированном оборудовании и лучше используя существующие архивы биопсий.

Что это значит для будущих пациентов

Авторы приходят к выводу, что настоящая «сверхразрешающая гистология» FFPE-образцов — объединяющая нанометровые детали, высокую скорость, разумную стоимость и совместимость с текущими лабораторными процедурами — ещё не полностью реализована, но достижима. По мере того как оптические методы становятся быстрее и надёжнее, а анализ на базе ИИ созревает, эти инструменты смогут выявлять тонкие ранние изменения в тканях, которые сейчас остаются незамеченными, повышать точность диагнозов и направлять более персонализированный выбор терапии. В долгосрочной перспективе превращение каждого архивного парафинового блока в подробную карту болезни может преобразить как исследования, так и клиническую практику.

Цитирование: Villegas-Hernández, L.E., Dubey, V.K., Acharya, G. et al. Optical super-resolution histology of formalin-fixed paraffin-embedded tissue samples: challenges and opportunities. Nat Commun 16, 9760 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-64626-1

Ключевые слова: сверхразрешающая микроскопия, ткань FFPE, цифровая патология, оптическая визуализация, диагностика рака