多模态全切片图像处理技术在溃疡性结肠炎黏膜愈合定量分析中的应用与组织微环境解析

本研究针对传统空间生物学技术局限于特定分子标记的局限性，开发了整合定量相位成像(QPI)、超多重荧光成像和H&E组织病理学的多模态图像处理流程。研究人员通过区域化传输强度方程(TIE)相位重建、荧光图像平场校正与解卷积等技术，实现了对溃疡性结肠炎(UC)患者活检组织的定量空间分析，揭示了炎症期、缓解期与健康对照组在细胞组成、免疫激活状态(HLA-DR+ )和表观遗传标记(H3K27me3 )等方面的显著差异，为临床评估黏膜愈合提供了新工具。

　　

在医学研究和临床诊断中，全面理解组织微环境犹如破解生命密码的关键一环。传统空间生物学技术虽然能精确定位分子标记，却像戴着有色眼镜观察世界——只能看到预先设定的荧光标记目标，而忽略了组织结构和细胞形态这些同样重要的诊断要素。更棘手的是，临床金标准的H&E组织病理学虽然能展现组织结构，却缺乏分子层面的功能信息。这种"盲人摸象"式的局限，使得研究人员在评估复杂疾病如溃疡性结肠炎(UC)的黏膜愈合状态时，常常面临信息碎片化的困境。

正是为了解决这一技术瓶颈，来自匹兹堡大学的研究团队在《npj Imaging》发表了创新性研究成果。他们开发的多模态全切片图像处理流程，巧妙地将定量相位成像(QPI，一种无需标记即可获取组织折射率信息的技术)、超多重荧光成像(可同时检测16种蛋白标记)和传统组织病理学三者融合，就像为显微镜装上了"全息眼"，既能看清组织结构全貌，又能捕捉分子功能细节。这项技术不仅为科研人员提供了全新工具，更在临床评估UC患者黏膜愈合状态方面展现出重要应用价值。

研究团队采用了几项关键技术：基于传输强度方程(TIE)的区域化相位重建算法，解决了大视场下的像差问题；多步骤荧光图像增强流程(包括平场校正、背景去除和PSF特异性解卷积)将图像分辨率提升40%；以相位图像为基准的多周期图像配准技术，实现了16种分子标记的精准空间定位。研究使用的6例UC患者和3例健康对照的直肠活检样本，通过多轮染色-成像-漂白循环处理，构建了完整的空间生物学数据集。

【整体工作流程】
研究团队设计的自动化流程始于通过不同轴向位置获取的明场图像堆栈重建定量相位图像。如图1所示，该过程采用TIE方程求解相位分布，随后通过区域化重聚焦和像差校正显著提升图像质量。荧光图像则经过平场校正、背景去除和基于实验测定点扩散函数(PSF)的解卷积处理，最终通过相位图像引导的拼接技术生成完整全切片图像。

【定量相位成像的区域化TIE方法】
针对大视场显微镜固有的场曲像差问题，研究人员将明场图像分割为多个小区域独立处理。如图2所示，这种方法使边缘区域的相位测量准确度提升近50%，核小体等亚细胞结构清晰可辨。通过聚苯乙烯微球验证，区域化TIE方法在图像边缘的相位测量误差从传统方法的35%降至15%。

【荧光图像的平场校正与背景去除】
荧光成像中的不均匀性会严重影响定量分析。如图3所示，研究人员通过校准图进行平场校正，使边缘区域荧光强度从75%提升至95%均匀度。结合优化的背景去除算法，信噪比(SNR)从3.6提升至8.9，使弱信号目标如H3K9me₃
的表观遗传标记也能准确检测。

【基于相位图像的拼接与配准】
如图4所示，研究团队创新性地利用相位图像作为多周期成像的配准基准，使归一化互相关系数(NCC)从0.04提升至0.94。这种方法不仅省去了传统所需的参考荧光通道，还实现了与H&E组织学图像的精准对齐，为多模态数据关联奠定了基础。

【溃疡性结肠炎的多模态分析】
在6例UC患者和3例对照的验证研究中，该技术成功区分了炎症期、缓解期和健康组织的特征差异。如图5所示，炎症组织表现出腺体结构破坏(上皮细胞占比从50%降至17%)和免疫细胞浸润(辅助性T细胞从11%增至35%)。更重要的是，缓解期组织呈现出中间状态：上皮细胞占比恢复至40%，但免疫细胞活性标记HLA-DR⁺
仍高于健康对照。相位值分析进一步发现，炎症细胞核折射率降低，与染色质开放状态(H3K27me₃
表达降低)高度相关。

这项研究的创新价值体现在三个维度：技术上，首次实现了QPI与超多重荧光成像的全流程整合，并开源了处理软件；方法学上，建立了组织架构与分子功能的关联分析框架；临床上，为UC黏膜愈合提供了包括免疫细胞空间分布、表观遗传状态在内的多维评估指标。特别是发现缓解期患者细胞仍保持较高增殖活性(Ki67⁺
细胞比例介于健康和炎症组之间)，提示临床症状缓解可能早于组织学完全修复，这对指导临床治疗具有重要启示。

研究也存在一定局限：样本量较小(n=6)，且未区分UC亚型。未来扩大样本后，该技术有望揭示更多黏膜愈合的分子特征，并为AI驱动的多模态图像分析奠定基础。正如作者强调，这种整合了结构、功能和临床信息的平台，很可能成为下一代数字病理学的标准分析工具。