导读

在癌症研究和药物研发种，肿瘤类器官发挥着不可或缺的作用。这些类器官能够很好的在体外重现肿瘤异质性及肿瘤相关的病理过程，而类器官的制备兼具高效与经济特性，使其能够在多种场合替代动物与人体实验。鉴于肿瘤类器官的这些特性，对其进行成像与分析成为了破解一系列临床与生物学难题的关键。目前，相对成熟的类器官成像与分析技术主要依赖明场显微和荧光显微。这两种显微成像方法均存在固有局限性，无法同时实现对三维癌细胞模型的无创、高通量、无标记及长期成像监测。由维也纳医科大学医学物理与生物医学工程中心副教授刘梦阳和都灵理工电子与通信工程系副教授Kristen Meiburger领衔的研究团队，成功开发出双模态光学相干断层扫描与光声成像系统（OC-PAM）及基于人工智能算法的图像处理软件用于三维肿瘤类器官成像。通过对乳腺癌及黑色素瘤的三维肿瘤模型造影、分析，该成像系统及分析软件实现了对类器官的长时间追踪、对化疗药物疗效的量化评估、对单个类器官的存活能力判断以及对耐药持久细胞（DTP）替代物的筛选。相关研究成果以 “Optical coherence photoacoustic microscopy for 3D cancer model imaging with AI-assisted organoid analysis” 为题发表于国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》。

研究背景

肿瘤类器官以其对癌症病理过程的精确重建、较低经济成本和较快的培养过程而在癌症研究与抗癌药物研发领域发挥着越来越重要的作用。通过分析、研究肿瘤类器官对药物的反应，人们可以清晰、快速的通过体外方式精确了解各种药物与肿瘤细胞的相互作用。对于导致癌症复发的DTP来说，类器官更是给研究者提供了一个其它模型无法提供的研究通道。然而，常规的明场显微与荧光显微存在很大的成像、分析局限性，严重限制了肿瘤类器官在相关研究领域的潜力发挥。例如，患者来源的肿瘤类器官（PDO）并不能自带荧光蛋白，从而导致荧光显微无法直接用于PDO的研究，进而限制了基于PDO的精准医疗。想要最大程度的发挥肿瘤类器官的优势，就得有无损伤、无标记、高速、高分辨的三维显微成像技术及其配套的分析软件。

研究亮点

本文提出了一种基于OC-PAM双模态成像与AI辅助分析的类器官研究方案，从而实现了对肿瘤类器官的个体追踪、成活度评估和DTP替代物筛选。通过三个不同的实验，该方案的优势得以在乳腺癌与黑色素瘤三维癌症模型中得以证明。

首先，光学相干断层扫描（OCM）被用于对经卡铂化疗处理后的乳腺癌类器官和对照组类器官进行长达21天和13天的追踪造影。通过自动追踪单个类器官并定量分析其平均体积，卡铂的疗效得到了量化评估。未经用药的控制组类器官的平均体积在监测的13天时间内持续增长（图1a），而用药组的类器官平均体积呈现出三种不同的增长模式：既有完全耐药快速增长类型，也有停药后不再增长类型，还有在停药后先停止增长，之后又重新开始出现部分增长的类型（图1b）。如果关注个体类器官而非全部类器官的平均值，在对照组中可以看到三种体积增长模式（图1c）。最值得一提的是在对用药组个体类器官增长分析中看到的具有DTP特性的增长模式（图1d）——在给药结束后出现一段时期的增长停滞，而在大约15天时开始重新快速增长。这一发现凸显了该系统捕捉罕见且具有临床意义的癌细胞行为的能力。

图1：(a) 四个选定孔中所有对照组类器官的平均体积增长；(b) 三个选定孔中所有用药组类器官的平均体积增长；(c) 对照组个体类器官增长曲线（体积增长以对数刻度显示）;（d）用药组个体类器官增长曲线（体积增长以对数刻度显示）。

除形态学分析外，本研究还引入了基于放射组学的类器官数据分析方法来评估类器官的存活率。该方法通过机器学习实现了高分类性能，展现出对治疗反应进行长期无标记、无创监测的潜力。具体来讲，在OCM对未标记的乳腺癌类器官造影后，这些类器官被用荧光素橙和碘化丙啶标记并进行了荧光造影（图2a）。因为标记之后的类器官可通过荧光图像判定存活状态，所以OCM图像和荧光显微图像的交叉对比便可用作OCM判定细胞存活状态的基准数据。这些基准数据被用来训练分类器，而在分类器训练完成后，其对肿瘤类器官存活状态的分析便不再需要荧光蛋白标定，进而实现了无标记的肿瘤类器官存活率分析。在实际应用中，该分类器实现了90%的准确率（图2b）。

图2：(a) 未标记类器官的OCM图像示例，以及经荧光素橙（绿色通道代表活细胞）和碘化丙啶（红色通道代表死细胞）染色后的荧光显微图像（用于同一类器官的存活率分类）。比例尺：50 µm；(b) 基于10次交叉验证获得的XGBoost分类器ROC曲线。

为评估OC-PAM在检测DTP细胞中的可行性，不同比例的黑色素瘤细胞与乳腺癌细胞被混合培养为肿瘤球。因乳腺癌细胞不表达黑色素，PAM结果可在OCM结果中可视化肿瘤球中的黑色素细胞，亦即将黑色素瘤细胞作为DTP细胞在肿瘤球中的替代物由PAM负责显影。在黑色素瘤细胞占比20%的肿瘤球中，OC-PAM可观察到黑色素瘤细胞簇及单个黑色素瘤细胞。在随后对仅含1%黑色素瘤细胞的肿瘤球的OC-PAM造影中，这些黑色素瘤细胞亦被成功检出，表明该OC-PAM系统能精准定位三维结构中的罕见细胞（图3）。

图3：黑色素瘤（MEL）细胞与乳腺癌细胞按指定比例混合形成肿瘤球。最左列展示明场显微镜获取的二维图像。其右各列分别展示OCM结果，PAM结果，和OC-PAM结果（灰色为OCM，红色为PAM）。比例尺：50 µm。

总结与展望

本研究结果证实，OC-PAM作为一种多模态光学成像平台可在肿瘤类器官与肿瘤球研究中发挥重要作用。通过将高分辨率、无损、无标记成像与基于人工智能的图像分析相结合，OC-PAM可以为探索癌细胞耐药性、罕见细胞群和化疗治疗反应提供关键影像学数据，而从对癌症研究、药物开发和精准医疗等多个具有重大意义的临床医学与药物学领域产生重大影响。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02177-2