导读

近日，来自意大利国家研究委员会（CNR）智能系统与应用研究所（ISASI）的Pietro Ferraro研究员及其团队，首次展示了一种全息断层扫描流式细胞术（HTFC），该技术充分结合凹形核分割算法（Concave-CSSI）和虚拟现实（VR）可视化平台，实现了对悬浮的急性髓系白血病（AML）细胞的无标记、准各向同性3D折射率（RI）重建，并从中精确捕获细胞核体积形状的特异性，解决了传统全息层析技术因“缺失锥”问题导致的非各向同性重建难题，提高了细胞核3D形态重建的准确性。并且证明了NPM1基因突变的关键表型标志——"杯状核"凹形结构，建立了AML细胞核的“基因型”和“表型”之间的相关性，为AML的临床诊断和治疗决策提供新方案。

该工作以“ From genotype to phenotype: decoding mutations in blasts by holo-tomographic flow cytometry ” 为题，发表在国际光学顶尖期刊《Light: Science & Applications》。

研究背景

急性髓系白血病（AML）作为恶性造血系统肿瘤，其精准诊疗高度依赖于细胞遗传学突变的鉴定。其中，核磷蛋白1（NPM1）基因突变占成人AML病例的30%，且具有独特临床病理特征。

尽管NPM1突变AML对诱导化疗反应良好，但其诊断仍与其他AML亚型的形态学鉴别存在争议。当前临床依赖多技术联用的诊断路径，但存在灵敏度低、操作复杂且耗时等显著局限，无法满足治疗前48-72小时内快速分子分层的临床刚需（如图1）。传统流式细胞术需外源标记或复杂预处理，阻碍了原始细胞的原位、无损分析。

NPM1突变与细胞核"杯状凹陷"存在强关联已被广泛报道，但现有成像技术难以实现该表型的精准量化。静态全息断层成像（HT）虽具备无标记三维折射率重建能力，但因光学构架固有的"缺失锥伪影"，严重制约其作为诊断标志物的应用价值。

因此，开发一种能够兼容流式高通量分析、克服三维重建失真、且无需标记的原位成像技术，成为解锁NPM1突变AML精准诊疗的关键突破口。

图1. 关于NPM1突变及相关识别表征常规技术概述

创新研究

HTFC结合Concave-CSSI在OCI-AML-3细胞中实现三维凹形核精准分割

研究团队首先通过图1系统，呈现了HTFC技术结合Concave-CSSI算法，在悬浮的NPM1突变型AML细胞（OCI-AML-3）中实现的全流程。通过微流控芯片控制细胞沿流道平移并绕轴旋转，采集多角度全息投影数据，经重建获得准各向同性折射率（RI）断层图像（如图b），其中心切片清晰显示细胞核呈低RI区域（深蓝色），显示出HTFC克服传统静态成像缺失锥伪影的能力。

随后，通过图c-h展示了凹形核分割算法过程：最终输出带杯状凹陷的完整核分割结果。并通过图i-k展示同一细胞核的三视角二维投影：当凹陷背对成像平面时（图i），形态特征完全隐匿；仅多角度集成分析（图j-k）可部分揭示凹形，有力佐证了HTFC三维重建对捕捉NPM1突变关键表型的必要性。

最后，通过图3数值模拟定量验证Concave-CSSI算法对凹形核的分割性能，结果显示：凸形算法始终输出凸核（红色），完全忽略凹痕；而凹形算法成功保留多级凹度（绿色），形态与模拟核高度吻合。

图2. HTFC结合Concave-CSSI在OCI-AML-3细胞中实现三维凹形核精准分割

图3. 凹面 CSSI 算法的数值验证

悬浮 AML 细胞中凹核的 3D 形态学/生物物理学表征

进一步，研究团队通过Concave-CSSI算法对悬浮态AML细胞进行群体级3D核形态重建，直观揭示NPM1突变型（OCI-AML-3，图a-f）与野生型（OCI-AML-2，图g-l）的显著形态差异。OCI-AML-3细胞核中，呈现典型杯状凹陷；OCI-AML-2细胞核虽偶现轻微凹陷，但整体趋近球形，印证凹形与突变的高度特异性关联。

该发现不仅为后续的定量统计提供视觉证据，更强调凹度分级的临床必要性，需通过后续体积/曲率参数实现精准鉴别。

图4. 通过凹面CSSI算法分割成的OCI-AML-3及OCI-AML-2细胞

通过虚拟现实对杯状原子核进行沉浸式可视化

最后，展示了VR平台对HTFC重建的AML细胞三维形态的沉浸式交互分析。用户可通过激光指针触发虚拟平板，实时显示选定核的定量参数，实现形态-数据联动解析。并展示了其细胞膜穿越功能——用户从外部发现OCI-AML-3核凹陷后，可瞬间"进入"细胞内部。该交互首次实现病理学家在亚细胞尺度动态验证基因型相关形态表型，克服传统显微镜的视角与维度限制，为AML诊断提供革命性分析工具。

图5：通过虚拟现实对杯状原子核进行沉浸式可视化

总结展望

研究团队首次将HTFC技术与concave-CSSI算法和VR技术相结合，为NPM1相关AML的诊断提供了一种新的无标记工具。这一技术有望推动AML诊断技术向更精准、快速、经济的方向发展，为临床医生提供更有力的工具。

展望未来，需要进一步的临床研究来验证该技术在实际临床环境中的有效性和可靠性，特别是在不同种族、年龄和疾病阶段的患者群体中；还可探索该技术在其他血液系统疾病或实体瘤中的应用潜力。此外，还可探索HTFC技术与其他诊断技术（如分子检测、影像学检查）相结合，提高诊断的准确性和全面性。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01913-y