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糖尿病肾病（DKD）诊断效率低，传统活检受限。本研究利用无标记成像模态（SRS、SHG、TPF）构建平台，在亚细胞分辨率下识别对照和 DKD 肾样本的形态、脂质组和代谢生物标志物，为肾病研究提供新工具与视角。
糖尿病作为全球主要健康威胁之一，其引发的糖尿病肾病（DKD）不仅是慢性肾病（CKD）的首要病因，还面临诊断效率低下的困境 —— 传统肾活检依赖分子染色试剂，存在信号重叠、染色变异及组织消耗等问题，且二维（2D）切片分析难以准确反映肾脏三维（3D）结构特征。例如，肾小球系膜体积分数（Vv (Mes/Glom)）的测量常因切片平面差异导致结果偏差，而脂质代谢异常、氧化应激与纤维化之间的动态关联也缺乏高效的多模态分析手段。在此背景下，美国加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）的研究团队开展了一项创新性研究，相关成果发表在《Nature Communications》，为 DKD 的精准诊断与机制解析提供了突破性方案。
研究团队构建了整合刺激拉曼散射（SRS）、二次谐波生成（SHG）和双光子荧光（TPF）的无标记多模态光学平台。该平台无需染色即可实现亚细胞分辨率成像，通过分析人肾脏活检样本，系统揭示了 DKD 的形态学（如系膜扩张、胶原纤维异常）和生物分子特征（如脂质饱和度、氧化还原状态）。研究采用的关键技术包括：
- 刺激拉曼散射显微镜（SRS）：用于检测脂质（C-H 伸缩振动）、蛋白质等分子的化学指纹，结合惩罚参考匹配算法（PRM-SRS）实现脂质亚型的空间分布分析；
- 二次谐波生成（SHG）：特异性成像 Ⅰ-Ⅲ 型胶原纤维，通过各向异性分析和纤维厚度测量评估肾纤维化程度；
- 双光子荧光（TPF）：量化烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD (P) H）和黄素（Flavins）荧光，计算氧化还原比（ORR）以反映代谢状态；
- 三维光学切片与重建：对 200 μm 厚组织进行逐层扫描，结合 ImageJ 和 MeshMixer 软件实现肾小球体积的精准测量；
- 人工智能（AI）辅助分析：利用 DenseNet 卷积神经网络对刺激拉曼组织学（SRH）图像进行肾小球分类，准确率达 98%。
研究结果
1. 脂质代谢异常与氧化应激的空间特征
通过 PRM-SRS hyperspectral 成像，发现 DKD 组织中甘油三酯（TAG）、胆固醇及神经酰胺（C12 ceramide）等脂质亚型的相对浓度显著升高，且游离胆固醇与酯化胆固醇比值在肾小球和肾小管间质区域呈反向分布。同时，DKD 的脂质饱和度（不饱和 /(饱和 + 不饱和)）显著降低，氧化还原比（FAD/(NADH+FAD)）下降，提示脂肪酸氧化受损与抗氧化能力不足，这与线粒体功能障碍和 NADPH 氧化酶（NOX）活性升高相关。
2. 三维形态学分析揭示系膜扩张的真实程度
传统 2D 切片测量的 Vv (Mes/Glom) 显著低估实际值，而 3D 半球重建显示 DKD 肾小球的系膜体积分数（0.6987 vs 0.6167）较对照组显著增加（p=0.0297）。该差异源于 2D 切片易受极向切片影响，而 3D 光学切片可捕获完整的肾小球结构，避免物理切片变形，为病理评估提供更可靠的量化指标。
3. 胶原纤维化的空间异质性
SHG 成像显示，DKD 患者肾间质胶原纤维厚度较对照组增加 25%，且在肾小球周围和髓质区域呈现更高的各向异性（纤维排列紊乱）。通过 Voronoi 镶嵌分析发现，纤维化程度与肾小球距离呈正相关，提示局部微环境对成纤维细胞活化的调控作用，为纤维化靶向治疗提供了空间坐标。
4. 人工智能驱动的无标记诊断
基于 SRH 图像的 DenseNet 模型可快速区分正常与 DKD 肾小球，结合数据增强技术（图像翻转、噪声添加），仅需 5 个训练周期即可达到 97% 以上的分类准确率。该方法无需染色即可实现自动 segmentation，显著提升诊断效率，为临床快速筛查提供了新范式。
结论与意义
本研究通过无标记多模态光学活检技术，首次在单一样本中整合了 DKD 的形态学、脂质组学和代谢组学特征，揭示了传统方法难以捕捉的病理细节，如脂质分布的空间异质性、3D 结构对系膜体积测量的影响，以及氧化应激与纤维化的区域关联。关键创新点包括：
- 技术整合：将 SRS、SHG、TPF 统一于单一平台，实现 “一次成像，多重分析”，最大限度保留组织样本用于后续研究；
- 三维量化：突破 2D 切片的局限性，为肾小球病理提供更真实的体积学数据，解决了长期存在的测量偏差问题；
- AI 赋能：证明无标记图像可直接用于病理分类，为构建标准化、自动化的诊断流程奠定基础。
这些发现不仅深化了对 DKD 发病机制的理解 —— 例如，脂质代谢紊乱通过促进氧化应激和纤维化驱动疾病进展，还为开发无创或微创诊断工具（如光学活检导管）提供了技术验证。未来研究可进一步拓展至其他肾病类型，并结合循环生物标志物，推动精准肾病学的发展。总之，该研究为肾脏疾病的诊断与研究开辟了新维度，有望在临床病理和基础研究中引发范式变革。
