改良型同步辐射X射线相衬显微计算机断层扫描流程用于肠道活检非破坏性三维成像

《Talanta》：A modified synchrotron X-ray phase-contrast micro-CT workflow for non-destructive 3D imaging of intestinal biopsies

　　

研究人员报道了一种改良的同步辐射显微计算机断层扫描（SR-μCT）相衬成像（PCI）工作流程，用于对缓解期溃疡性结肠炎（UCr）患者结肠活检进行三维组织学分析。该方法通过优化样品制备及数据处理流程，提升了图像质量，并实现对大规模同步辐射数据集的高效处理。研究显示，临界点干燥（CPD）处理的样品相比石蜡包埋样品显著增强了固有对比度，能够清晰分辨组织微结构并提高数字分割的可靠性。研究人员开发了一种可扩展的数据编排工作流（Tiffy McSliceface，TMSF），通过结构化稀疏标注与智能插值实现全分辨率体数据分割，无需降采样、裁剪或降低位深，从而提升处理速度与整体效率。作为概念验证，研究人员将该工作流应用于SR-μCT-PCI，对经食品添加剂二氧化钛（E171）离体暴露的活检样本进行三维可视化与定量微结构变化分析，发现隐窝腔三维连通性被破坏。该研究表明，简化大型同步辐射数据处理是可行的，并支持高通量三维分析在胃肠道病理及环境胁迫组织响应研究中的应用。

本研究由Estee Ngew、Jarvis A. Stobbs、Talat Bessissow与Saji George完成，发表于《Talanta》，旨在解决软组织三维成像中因低X射线衰减差异导致的对比度不足及海量数据计算瓶颈问题。传统二维组织学虽为炎症性肠病（IBD）诊断的重要工具，但在呈现三维空间关系方面存在局限；实验室显微计算机断层扫描（μCT）难以解析软组织精细结构，而同步辐射显微计算机断层扫描结合相衬成像（SR-μCT PCI）可利用折射率差异增强软组织对比度，无需化学染色。然而，高分辨率体数据往往超过100 GB，现有分割与可视化软件在内存、GPU资源及处理速度方面存在瓶颈，常规降维策略会牺牲空间细节与分析价值。为此，研究人员提出集成优化的样品制备与数据编排策略，以实现全分辨率三维组织学分析。

关键技术方法包括：（1）样品制备阶段以临界点干燥（CPD）取代石蜡包埋，提升上皮与基质对比度；（2）采用稀疏标注结合Biomedisa智能插值，在全分辨率体数据中实现高效分割；（3）开发轻量级数据编排工作流Tiffy McSliceface（TMSF），确保标注与原始数据的空间一致性；（4）利用加拿大光源（Canadian Light Source）的同步辐射设施采集数据；（5）样本来源于两名缓解期溃疡性结肠炎（UCr）患者的乙状结肠活检，采用供体匹配配对设计进行离体暴露实验。

研究结果如下：

CPD制备样品在SR-μCT成像中比石蜡包埋样品展现更佳对比度与细胞细节

研究显示，CPD处理的活检样本在SR-μCT PCI下能清晰分辨上皮与基质微结构，避免了石蜡包埋引起的对比度下降和结构失真，从而提高了分割与分析的可靠性。

结论与展望

研究人员建立了结合对比度保护型样品制备与高效数据分析的工作流，实现了人类肠道活检的全分辨率三维组织学分析。CPD处理显著增强内源性对比度，无需染色即可呈现精细结构。TMSF工作流有效管理大规模数据，保留像素分辨率与灰度保真度，支持高通量分析。

患者数据

活检样本来自两名UCr患者，均签署知情同意书，由麦吉尔大学健康中心（MUHC）IBD门诊采集。实验经MUHC伦理批准。

CRediT作者贡献声明

Saji George负责项目构思、监督、资金获取及文稿审改；Talat Bessissow负责资源、项目管理、资金获取及文稿审改；Jarvis A. Stobbs负责方法学、软件开发、数据分析与可视化；Estee Ngew参与撰写与编辑。

竞争利益声明

Talat Bessissow接受AbbVie Canada与Takeda Canada资助，其余作者无已知利益冲突。

生成式AI使用声明

作者在文稿准备过程中使用ChatGPT进行语法与行文检查，并对内容进行审阅与修改，对最终出版内容承担全部责任。

基金资助

Saji George获CRC/George/X-coded/248475及NSERC发现基金支持；Talat Bessissow获AbbVie Canada与Takeda Canada资助；Estee Ngew获CLSI旅行资助及Walter M. Stewart农业研究生奖学金、麦吉尔卓越研究生奖。

致谢

感谢加拿大光源（CLSI）及萨斯喀彻温大学的技术支持。

讨论与结论部分指出，该工作流突破了传统二维组织学与低对比度三维成像的局限，为食品添加剂的胃肠道结构影响研究提供了可重复的三维分析平台。研究人员认为，CPD制备结合TMSF数据管理可在保留全分辨率的前提下，显著提升软组织三维分析的精度与效率，为环境胁迫及病理学研究提供了新的技术路径。