使用双激发光子吸收远程传感显微镜的无标记整片虚拟多重染色

在不破坏组织的情况下观察它们

当医生诊断癌症或肾脏损伤等疾病时，他们经常依赖用化学染料浸染的薄组织切片。这些染色揭示了隐藏的结构，但会永久改变或耗尽样本，当只有极少量活检可用时，这就成了问题。本研究介绍了一种使用光与人工智能“数字染色”组织的方法，能够在完全不施加任何染料的情况下生成病理学上熟悉的图像。

传统染色法的利与弊

诸如苏木精-伊红（H&E）及用于胶原、碳水化合物和肾脏结构的专用染料，是现代病理学的主力。它们将透明的组织呈现出来，对于诊断癌症、感染和器官损伤不可或缺。但这些染色是破坏性的：同一切片通常无法再次染色或用于后续的高级检测，多次染色会迅速消耗珍贵的活检材料。每种染色还需要精准控制的实验操作、训练有素的人员，并可能将诊断时间延长数小时或数天。

读取组织本身的基于光的成像

研究者使用了一种名为光子吸收远程传感（PARS）的专用显微镜，它读取组织分子如何吸收和释放紫外光能量。在这项工作中，他们结合了两种紫外波长——一种较短，一种稍长——以交错的模式在组织的同一位置照射。每次脉冲都会产生热相关信号和微弱的荧光样发射，从同一位置获得四个不同通道的信息。一个波长对细胞核中的 DNA 特别敏感，而另一个则突出显示胶原、弹性蛋白、红细胞和像黑色素这样的深色颜料。两者合在一起以类似于甚至扩展传统染色所见的方式描绘出细胞核、支撑组织、血液和色素。

教计算机绘制虚拟染色

收集丰富的光学信号只是半步；另一半是把这些信号转化为看起来像标准染片的图像。为此，团队使用了名为 RegGAN 的深度学习框架。他们先用 PARS 对未染色组织成像，然后对同一张玻片进行化学染色并用普通明场扫描仪扫描。经过对齐这些配对图像后，他们训练神经网络将多通道的 PARS 图像转换为模拟特定染色的版本，包括常规的苏木精-伊红以及马松三色染、PAS 和琼斯甲醛银染。为每种染色分别训练模型，这样单张无标记输入切片以后就可以按需“虚拟重染”出多种不同的效果。

虚拟切片揭示了什么

在人和小鼠的多种组织中——包括肾脏肿瘤、黑色素瘤、真菌性皮肤感染和正常器官——虚拟染色与其化学对照高度一致。肿瘤边界、细胞核形态、富含胶原的瘢痕组织、红细胞、真菌丝以及精细的肾脏结构在两种紫外波长同时使用时都以高保真度呈现。定量图像质量指标证明，结合两种激发优于单独使用任一种，尤其是在依赖较长波长所带来额外对比的结构（如胶原、血细胞和真菌元素）上。在一项小规模的盲测研究中，三位有经验的病理学家将真实图像和虚拟图像主要评为良好或优秀的视觉诊断质量，且无法可靠地区分哪些图像是化学染色的、哪些是虚拟生成的。

优势、局限与未来潜力

尽管前景可观，该方法尚不能替代常规切片扫描仪。目前的 PARS 系统速度较慢，覆盖面积需要数小时，而临床扫描仪只需数分钟，而且所有数据均来自一种成像设备和一家染色实验室。评估主要集中在视觉相似性和若干可测量特征上，而非跨多个患者和中心的全面临床决策验证。尽管如此，这种方法提供了一个独特优势：由于无标记成像不会损坏组织，同一张切片随后可用传统染料染色或用于分子检测，并且可从一次扫描生成多种虚拟染色。

这对患者与医生意味着什么

简单来说，这项研究表明可以仅用光“读取”组织，然后用人工智能重建病理学家信赖的熟悉色彩与结构模式，包括从同一切片生成的几种不同染色效果。双色 PARS 系统提供了足够的信息来虚拟突出显示细胞核、支撑组织、血液、色素和特化的肾脏结构，而无需接触一滴染料。随着更快的硬件和更大规模、跨中心的研究，这项技术有望成为标准病理学的强力补充，节省珍贵的活检样本，并为病理学家提供一种更丰富、无损的疾病观察视角。

引用: Tweel, J.E.D., Ecclestone, B.R., Tummon Simmons, J.A. et al. Label-free whole slide virtual multi-staining using dual-excitation photon absorption remote sensing microscopy. npj Imaging 4, 22 (2026). https://doi.org/10.1038/s44303-026-00154-x

关键词: 虚拟染色, 无标记显微镜, 数字病理学, 紫外成像, 组织学中的深度学习