用于小鼠肾活检三维评估的实验室级细胞级相关可见光与X射线显微成像

为何观察微小肾脏样本很重要

肾活检是一小片组织，能够揭示患者肾功能衰竭的原因，但目前医生主要将其视为在光学显微镜下观察的一叠平片。本研究探索了一种无需切割样本即可以三维方式查看同一组织的方法，通过将X射线显微镜与常用光学显微镜配对。目标是使用可整合入常规实验室流程的工具，获得对肾脏损伤，特别是称为肾小球的微小滤过结构，更全面的认识。

现有观察方法的局限

传统肾脏病理学依赖非常薄的染色切片，通过光学或电子显微镜观察。这些方法可以显示单个细胞和精细结构，但需要将活检切成许多片段。该过程既耗时又会破坏组织的原始形态，而且通常只能覆盖样本的一小部分。即便使用切片堆栈重建三维视图，切片间距也可能导致深度信息模糊。较新的光片成像方法能在三维中扫描完整组织，但仅显示会发光的部分，许多结构仍无法观察到。

一种新的配对成像方法

研究者基于早期工作，即用于组织处理的普通石蜡有助于X射线在未切割的活检中区分细胞。在本研究中，他们提出了所谓的实验室级细胞级相关光学与X射线显微成像。首先，他们用X射线显微镜扫描石蜡包埋的小鼠肾活检，生成具有细胞级分辨率的三维图像。随后他们对相同组织块进行常规染色和光学显微镜观察，定位相匹配。通过精确对齐两组数据，他们能够逐细胞比较特征并结合各方法的优势。

锐化X射线影像

为了使X射线图像清晰到足以辨认单个细胞核，团队解决了若干技术问题。长时间扫描会因室温变化造成样本微移，从而产生条纹伪影。他们在样本上附着一个微小的硬质颗粒作为位置标记，并利用其运动校正原始X射线图像中的漂移。他们还应用了一种称为相位恢复的数学步骤，以增强组织与石蜡之间的对比。合并这些处理后，大幅提升了图像清晰度和对比度，使得能够在肾单位的不同部位（如小管和肾小球）识别对应细胞核的致密斑点。

在光学与X射线图像间匹配细胞

借助更清晰的X射线数据，科学家们以细胞核为标志，将三维X射线切片与二维染色光学显微图像对齐。在比较匹配区域时，他们发现X射线图像中明亮、致密的斑点与染色切片中可见的细胞核相对应。这使他们能够自信地识别不同细胞类型和区域，包括肾小球内正常的支持性区域以及称为增生（hypercellularity）的细胞簇。他们还注意到，切割和染色的切片比完整的X射线体积显示出更多局部形变，这很可能是标准制备过程中对组织的机械处理所致。

揭示隐藏的三维病变

研究团队聚焦于一种疾病模型小鼠，其中剩余肾脏的肾小球出现损伤。利用配对图像，他们在X射线数据中手工勾画出一个肾小球及其内部致密区域，并以染色切片为参考。他们识别出三种不同的增生性病变，每种在三维中形状各异：从正常分支突出的简单小突起、融合成簇的隆起，直到分支间的桥状束带。通过对光学图像上的细胞核计数并在X射线数据中测量体积，他们估算这些簇中每个系膜细胞大约占据100立方微米的体积。尽管基于单个肾小球，这些测量与病理学的一般预期一致，显示可以从完整活检中提取此类体积信息。

这对肾脏诊断的潜在意义

本工作表明，常规石蜡包埋的肾活检可以用实验室级X射线显微镜扫描，得到肾小球的细致三维地图，然后依然可用于常规染色和光学显微镜观察。两种方法结合使用，能够在不破坏样本总体结构的前提下定位并测量可能提示疾病的富细胞病变。尽管当前流程较慢且依赖手工操作，未来的自动化与更好的软件可能使其成为一种实用工具，为临床医生从同一小块组织中获得更完整的三维肾损伤视图。

引用: Kunishima, N., Hirose, R., Takeda, Y. et al. Laboratory-based cellular-level correlative visible-light and X-ray microscopy for 3D evaluation of mouse kidney biopsy. Sci Rep 16, 15634 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44720-0

关键词: 肾活检, X射线显微镜, 三维成像, 肾小球, 系膜细胞