深度变异去卷积结合宽场显微镜实现大体积组织快速三维成像

《Communications Biology》：Depth-variant deconvolution applied to widefield microscopy for rapid large-volume tissue imaging

本研究针对宽场显微镜缺乏光学切片能力、难以用于大体积3D成像的瓶颈，将组织透明化与商用深度变异去卷积技术结合，通过预过滤和Z轴分块处理，在500微米厚组织中实现亚核级轴向分辨率。该方案在脑淀粉样血管病（CAA）模型和人类肾脏移植评估中验证了其高效性，以仅为共聚焦显微镜1/10的时间成本获得可比拟的分辨率，为临床快速病理诊断提供了新范式。

　　

在生物医学研究领域，三维组织成像技术革新了人们对器官结构和疾病机制的理解，然而其广泛应用仍面临两大挑战：一是依赖昂贵复杂的设备（如共聚焦、光片显微镜），二是耗时漫长的成像流程。宽场显微镜虽具操作简便、成本低廉的优势，却因无法有效过滤离焦光信号，长期以来被排除在深层组织3D成像之外。这一矛盾促使研究者思考：能否通过计算生物学方法“赋能”传统宽场显微镜，使其在保持高效的同时突破分辨率极限？

发表于《Communications Biology》的这项研究给出了肯定答案。团队通过将组织透明化技术（ADAPT-3D）与商用深度变异去卷积软件（Huygens）优化整合，建立了一套适用于大体积样本的快速3D成像流程。该方案的核心创新在于解决了厚样本中点扩散函数（Point Spread Function, PSF）随深度变异的问题，并采用预过滤（高斯核与局部最小值滤波）和Z轴分块（Bricking）策略，有效消除了边缘伪影和散射噪声。

关键技术方法概要

研究使用配置20倍浸没物镜（NA 1.0）的宽场显微镜，对ADAPT-3D处理的鼠脑、肠道及人类肾脏楔形活检样本（来源：Mid-America移植基金会）进行多通道荧光成像。通过Huygens软件生成理论PSF，结合最大似然估计（Maximum Likelihood Estimation, MLE）算法进行深度变异去卷积，并利用Python脚本实现批量预处理与多图拼接。

轴向核分辨率通过深度变异PSF去卷积实现

通过500微米厚的小鼠脑组织切片实验，去卷积后的图像成功分离了重叠的核信号（图1B-C），在轴向维度达到亚核级分辨率。与线扫描共聚焦对比，宽场成像速度提升10倍以上，虽微胶质细胞伪足分辨率略低，但足以识别主要形态特征（图1D-E）。在未透明处理的脑膜动脉中，该方法仍能在30分钟内清晰显示β-淀粉样蛋白（Aβ）在血管外膜的沉积模式（图1F）。

克服去卷积技术局限以实现大体积多图拼接成像

针对厚样本去卷积产生的边缘伪影（图2A-B′），研究团队通过背景噪声过滤（图2C-G）和Z轴分块去卷积（图2H-L）显著提升信噪比。频率分布分析显示去卷积后像素动态范围显著扩大（图2N，p<0.0001）。应用该流程拼接小鼠回肠9个图块，成功重建3D结构，揭示中性粒细胞在肠绒毛的空间分布规律（图2O-Q）。

三维视角下的CAA病理全景

对500微米厚脑切片进行15图块拼接（图3A），在1小时内完成成像，分辨率可辨识胼胝体区毛细血管（图3B）。在5XE4转基因小鼠脑内，3D成像清晰显示Aβ沿实质血管（图3D）及脑膜低SMA信号血管的沉积，并首次发现Aβ在桥静脉的累积（图3E），提示其可能参与Aβ清除通路。

时间约束场景下的人类肾脏快速3D评估

模拟临床肾移植评估流程，人类肾活检样本经90分钟透明化与染色后，宽场显微镜在30分钟内完成300微米深成像（图4A-B）。三维重建显示肾小球、萎缩小管（图4E-F箭头）及动脉硬化血管（图4C-D箭头），证明该方法在有限时间内实现病理结构的立体评估可行性（图4C-H）。

结论与展望

本研究通过深度变异去卷积与宽场显微镜的创造性结合，实现了大体积组织的高效三维成像，在保持亚核级分辨率的同时将成像时间缩短至传统方法的1/10。该系统在脑淀粉样血管病模型中发现桥静脉Aβ沉积新现象，并在模拟肾移植评估中展现临床转化潜力。尽管对低信噪比信号的处理仍有优化空间，但该方案以低于12.5万美元的设备成本突破了高端显微镜的垄断，为普及三维病理诊断提供了技术基础。未来随着计算能力提升与多重染色技术发展，该流程有望成为临床快速决策与高通量研究的利器。