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为解决在研究肺部疾病时传统分组方法无法有效分析不对称分支气道的问题，研究人员开展了 “支气管肺发育不良兔模型单轴气道区域特异性病理分析” 研究。结果显示基于高斯混合模型（GMM）的聚类方法可划分有意义的气道分区。这为研究肺部疾病提供新方法，助力针对性治疗策略开发。
肺部，作为人体与外界进行气体交换的重要器官，其健康状况直接关乎生命质量。在肺部的微观世界里，气道宛如一棵枝繁叶茂的大树，从气管出发，不断分支延伸到末梢细支气管。然而，这棵 “大树” 的各个部分并非千篇一律，不同区域的气道在形态、结构和功能上都存在差异。比如，气道上皮细胞的组成会随着气道的分支而变化，软骨板的有无、平滑肌细胞层的数量以及管腔直径也各有不同。这些差异使得不同气道区域对疾病的易感性和反应各不相同。像在支气管肺发育不良（Bronchopulmonary Dysplasia，BPD）这种常见于早产儿的肺部疾病中，不同气道区域的病变情况复杂多样，严重影响着患儿的健康和未来。
一直以来，在研究肺部疾病时，如何准确地对气道进行分区研究是一大难题。在对称分支的灵长类动物肺部，通过划分气道代际来创建形态相似的气道段分组是常用方法。但对于常见实验动物，如小鼠和兔子，它们的肺部呈现高度不对称（单轴）的分支模式，传统的基于分支的分组方法在这里就 “失灵” 了，无法得出有意义的结果。这就好比用一把不适合的尺子去测量物体，得到的数据自然不准确，也难以据此深入了解疾病的发生发展机制。为了攻克这一难题，来自德国汉诺威医学院（Hannover Medical School）等多个研究机构的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《BMC Medical Imaging》上。
研究人员采用了一种形态学聚类方法，旨在将气道划分为具有生物学意义的子分区。他们以 BPD 兔模型为研究对象，利用微计算机断层扫描（μCT）和光学显微镜（LM）等技术，对气道进行了详细的形态学分析。
在实验过程中，研究人员首先建立了 BPD 兔模型。这些兔子在妊娠第 28 天通过剖腹产出生（足月为 31 天），随后被分为两组，一组置于常氧（21% O2）环境，另一组暴露于高氧（>95% O2）环境。在第 7 天，对动物进行麻醉，然后用醛类固定剂对肺部进行灌注固定。之后，对肺部样本进行一系列处理，包括用 1% 四氧化锇和 1% 醋酸铀进行后固定，脱水后嵌入甲基丙烯酸乙二醇酯。
接着，研究人员利用 μCT 对嵌入后的肺部进行无损成像，扫描后用 NRecon 软件进行图像重建。同时，通过随机抽样方案对肺部进行切片，制作光学显微镜样本，并用甲苯胺蓝染色。之后，对 μCT 图像和光学显微镜图像进行一系列处理和分析，包括图像分割、气道分离、图像融合以及形态学特征获取等。
研究结果表明，基于 GMM 的聚类方法在划分气道分区方面表现出色。通过贝叶斯信息准则（BIC）和 GMM 分析，确定了五个具有不同形态特征的气道聚类。与传统的基于分支的分组方法（如代际、阶数和斯特拉勒阶数）相比，GMM 能够更好地将数据集划分为形态均匀的子分区。在气道管腔方面，全局分析显示高氧组（HYX）的管腔直径显著小于常氧组（NOX），但这种差异的效应强度较弱。进一步的聚类分析发现，这种差异主要体现在包含较大直径气道的 1、2 和 5 聚类中，而在其他小气道聚类中差异不明显。对于气道壁，全局分析显示 NOX 和 HYX 动物之间存在显著差异，但绝对差异较小，效应强度可忽略不计。聚类分析则表明，1、2 和 3 聚类中 HYX 组的壁厚度明显增加，其中 1 聚类的效应强度为中等。在气道上皮方面，研究人员对多个参数进行了分析。上皮高度在 HYX 组显著高于 NOX 组，且在所有聚类中都有明显体现；纤毛长度在 HYX 组显著短于 NOX 组，在各个聚类中均有体现且效应强度较小；细胞核密度在 NOX 组高于 HYX 组，在包含大气道的 1 聚类中效应最为显著。此外，研究人员还对气道上皮的细胞组成进行了分析，发现不同细胞类型在两组之间存在差异，但效应强度大多较弱。
研究结论和讨论部分具有重要意义。从研究结论来看，基于 GMM 的方法可有效将单轴气道树划分为有意义的子分区，且在揭示两组实验差异方面比全局分析更具优势，为进一步研究肺部疾病中气道子分区的作用奠定了基础。从讨论部分可知，该研究揭示了 BPD 兔模型中不同气道区域的病变特征，有助于深入理解 BPD 的病理机制。同时，研究也指出了当前工作流程的局限性，如可扩展性问题，为后续研究指明了方向。未来，随着技术的不断发展和研究的深入，有望进一步完善对肺部疾病的认识，开发出更具针对性的治疗策略，为肺部疾病患者带来新的希望。
