三维病理成像技术揭示胰腺癌微环境异质性：突破传统二维评估的局限性

这篇开创性研究通过CODA三维成像技术系统评估了胰腺组织的空间异质性。研究发现传统二维（2D）病理技术（如WSI和TMA）在评估肿瘤微环境（TME）时存在显著局限性：组织结构相关性在微米级距离内快速衰减（如神经/血管在24μm内相关性下降>50%），需数百个TMA核心或数十张全切片图像（WSI）才能准确反映真实三维（3D）组织构成。研究为优化生物样本采集策略提供了量化依据，推动三维病理在精准医学中的应用。

　　

Motivation
空间分辨细胞分析技术虽已成为研究组织异质性的关键工具，但传统二维（2D）方法受限于采样区域狭小，需大量样本才能准确捕捉组织特征。尽管三维（3D）组织图谱技术取得进展，但对其信息增益的量化研究仍属空白。本研究通过对100余例胰腺组织样本（包括组织核心、全切片图像和cm³
级3D样本）的系统分析，首次量化了采样策略对组织异质性评估的影响。

Highlights
• 3D成像显示组织成分在微米级深度内快速变化
• 2D评估无法准确捕捉正常和肿瘤组织的异质性
• 活检核心在连续切片过程中迅速丢失目标特征
• 肿瘤微环境（TME）的精准分析必须依赖3D成像

空间相关性在胰腺肿瘤中快速衰减
通过计算3D肿瘤样本中组织结构的相关性长度发现：丰富结构如细胞外基质（ECM）和腺泡组织在>720μm距离内保持相关性，而稀疏结构如神经和血管仅在24μm（约6张4μm切片）内相关性即下降50%。在正常胰腺组织中，ECM相关性衰减更快（24μm内下降50%），反映胰腺癌特有的促纤维增生特征。将样本虚拟切割为空间转录组常用尺寸（6.5×6.5 mm²
）时，导管、PDAC等结构的空间相关性在40μm（10切片）内即减半。

核心针活检评估肿瘤异质性的局限性
虚拟TMA（vTMA）模拟实验揭示：即使由病理专家选定富含癌细胞的区域，随着连续切片：
1）基质细胞密度在100切片（0.4mm）内平均误差达25%，部分模拟接近100%误差
2）约50%核心在200切片（0.8mm）后完全丢失癌细胞，300切片（1.2mm）后达75%
证明传统TMA核心在连续切片过程中快速丧失专家选定区域的优势。

量化评估3D肿瘤真实组成所需的采样量
通过随机vTMA模拟发现：
• ECM异质性最低：19个TMA可估计2D-WSI组成（误差<10%）
• 癌细胞异质性最高：需>500个TMA才能以<10%误差估计真实3D组成
对于空间转录组常用区域，腺泡、PDAC等结构需约50切片才能准确估计3D组成。

基于3D评估的胰腺癌采样指南
对48例含胰腺上皮内瘤变（PanIN）的3D样本分析显示：
• 高PanIN负荷样本（68%-100%）需较少切片即可准确评估
• 低PanIN负荷样本（0%-33%）需显著更多切片（p=5E-6）
类似地，在PDAC样本中，高癌负荷样本的评估效率更高，为罕见结构研究提供了量化采样标准。

Discussion
本研究通过CODA平台首次量化了从2D到3D病理转变的信息增益。关键发现包括：组织结构相关性在微米尺度快速衰减、专家选定核心的快速特征丢失、以及数百个2D样本才能近似3D异质性。尽管3D技术存在成本和技术门槛，但组织透明化、开源图像配准工具（如CODA GUI）和人工智能辅助图像处理正在降低应用壁垒。这些发现不仅适用于胰腺癌，也为其他空间异质性肿瘤的研究提供了方法论参考。