先进的成像方法可使科学家观察白质微环境中的胶质母细胞瘤肿瘤细胞——这是目前尚缺乏的能力，对于了解肿瘤细胞如何侵入胼胝体高速公路的密集髓鞘（绝缘）纤维“通道”，并适应和扩散到整个大脑至关重要。
科学家合作利用人工智能增强先进的显微镜技术，旨在提高对胶质母细胞瘤脑肿瘤的了解。
想象一下，建造一个交通监控摄像头，它可以在大脑中四处乱窜的捣乱细胞犯下“罪行”之前将其检测出来。最重要的是，这个摄像头可以捕捉到最大的入侵者——癌细胞。
这种“监控摄像头”不再是幻想。沿着连接大脑左右半球的最大的神经纤维高速公路——胼胝体，构成最致命的脑癌之一胶质母细胞瘤的细胞穿梭其中。现在，科学家将人工智能引入最先进的显微镜，使这种细胞探测器成为现实。他们现在可以以前所未有的清晰度观察和追踪深层脑组织中的特定细胞，包括沿着这条高速公路。
在最近欧洲分子生物学实验室（EMBL）和海德堡大学的合作中，科学家们正在使用这项新技术来追踪胶质母细胞瘤肿瘤细胞，以更好地了解这种致命的癌症并可能更早地发现它，这可能会在未来带来更好的诊断工具。
深层组织显微镜的诞生2021 年，EMBL 研究人员与来自德国、奥地利、阿根廷、中国、法国、美国、印度和约旦的合作者一起开发了一种新的显微镜技术。EMBL 小组负责人 Robert Prevedel 及其研究小组与这些不同的合作者一起解决了神经科学家在研究深层大脑区域时面临的一些挑战。此前，弥漫性脑组织给科学家带来了一个问题，当他们试图观察神经元和被称为星形胶质细胞的神经胶质细胞并研究它们如何在皮层深处进行交流时。这也使得海马体中的神经细胞难以可视化，海马体是另一个负责空间记忆和导航的深层大脑区域。
科学家们的新方法基于最先进的显微镜方法，这种方法可以提供更宽更清晰的观察孔径，同时还可以调整光波在深层脑组织中散射时产生的失真。他们设想了未来在脑研究中的许多可能应用。
现在，在《自然通讯》杂志发表的一项研究中，Prevedel 与神经科学家、神经肿瘤学家和人工智能专家合作，将这种显微镜提升到一个新的水平。结果是一种可以长时间观察大脑深处活体神经元和其他类型脑细胞的显微镜。
“我们现在已经从拍摄小鼠大脑细胞快照发展到放大特定细胞，并能够跟踪它们数小时甚至数天。”Prevedel 表示：“此外，结合定制的 AI 方法使我们能够区分细胞微环境的不同部分，这对于了解它们在特定环境中的行为也非常重要。”
测试一下2021 年，海德堡大学医院神经内科的 Varun Venkataramani 饶有兴致地阅读了这种深层组织显微镜的新方法。他的研究重点是人类脑肿瘤，尤其是胶质母细胞瘤，这是一种常见、生长迅速且难以治愈的肿瘤。Venkataramani 正在越来越多地了解决定肿瘤如何起源、发展以及最终如何对治疗产生反应或产生抵抗力的神经机制。然而，他当时的显微镜方法限制了成像深度，主要局限于大脑的灰质。
“罗伯特团队在 2021 年发表的论文介绍了一种深层组织显微镜技术，我相信这项技术可以将我们的成像能力扩展到胼胝体的白质。”Venkataramani 说，白质在大脑不同灰质区域和身体其他部位之间的沟通中起着重要作用。“这可能会揭示新的生物过程，并深入了解这些肿瘤在一个关键但研究不足的领域中的行为。”
胶质母细胞瘤主要是一种白质疾病。新的先进成像技术使 Venkataramani 的团队能够观察白质微环境中的这些肿瘤细胞。这种能力对于了解肿瘤细胞如何侵入胼胝体高速公路的密集髓鞘（绝缘）纤维“通道”，然后适应并扩散到整个大脑至关重要。这一过程也与胶质母细胞瘤致命地侵入关键的大脑结构有关。
“实时观察肿瘤细胞在胼胝体的侵袭非常有趣。”该研究的主要作者之一、海德堡大学医学院学生马克·舒伯特说。
“目前，我认为这项基础研究最重要的方面是，它让我们首次能够在最相关的微环境中研究这些肿瘤，”Venkataramani 说道：“这些发现还有助于解释目前使用常规 MRI 技术检测肿瘤浸润边缘的胶质母细胞瘤细胞所面临的挑战，而常规 MRI 技术是临床成像的标准。作为一名神经科学家、神经病学家和神经肿瘤学家，我看到这项技术有可能弥合实验室研究与临床应用之间的差距，改善我们诊断和潜在治疗脑肿瘤的方式。”
人工智能将显微镜提升到新水平此次最新合作的一个重要特点是研究人员融入了人工智能元素。
“从技术发展的角度来看，基于人工智能的方法有助于‘去除’图像中的噪音，因此现在的对比度要清晰得多，”Prevedel 说：“人工智能可以区分白质内部的不同结构，如髓鞘纤维和血管，这在很多方面都很重要。人工智能在提高这种显微镜的水平方面确实发挥了重要作用，因此它可以解决这些紧迫的医学问题。”
海德堡欧洲分子生物学实验室的 Anna Kreshuk 研究小组提供了这项 AI 专业知识。Kreshuk 的团队制定了定制的工作流程，帮助区分血管信号和髓鞘神经纤维信号，从而阐明肿瘤细胞的微环境。
因此，研究人员可以识别与白质微环境结构特性相关的潜在微观成像生物标记。这种创新的工作流程为识别胶质母细胞瘤的成像模式奠定了基础，因此可以比现在更早地发现肿瘤。
“我们期待未来进一步定制这种新方法以满足更多的临床实际需求，以最大限度地发挥其潜力。”该论文的主要作者之一、海德堡大学诊所神经内科住院医师斯特拉·索伊卡 (Stella Soyka) 说。
“它很有前景，但如果没有进一步开发，就将其应用于临床还为时过早。”Venkataramani 指出，并解释说，下一步将整合进一步先进的成像模式，这有助于为标准临床环境构建实用工具。
“我们对此持乐观态度，尤其是因为海德堡-曼海姆生命科学联盟网络提供了强有力的跨学科支持，促进了临床前和临床学科之间的合作，”Venkataramani 强调：“这种协同作用对于在可预见的未来将这些实验室见解应用于临床实践至关重要。”
参考文献：“通过定制的三光子显微镜和分析实现深部活体脑肿瘤成像”，作者：Marc Cicero Schubert、Stella Judith Soyka、Amr Tamimi、Emanuel Maus、Julian Schroers、Niklas Wißmann、Ekin Reyhan、Svenja Kristin Tetzlaff、Yvonne Yang、Robert Denninger、Robin Peretzke、Carlo Beretta、Michael Drumm、Alina Heuer、Verena Buchert、Alicia Steffens、Jordain Walshon、Kathleen McCortney、Sabine Heiland、Martin Bendszus、Peter Neher、Anna Golebiewska、Wolfgang Wick、Frank Winkler、Michael O. Breckwoldt、Anna Kreshuk、Thomas Kuner、Craig Horbinski、Felix Tobias Kurz、Robert Prevedel 和 Varun Venkataramani，2024 年 9 月 10 日，《自然通讯》。DOI：10.1038/s41467-024-51432-4
来源：欧洲分子生物学实验室
免责声明：康嘉年華致力于健康常识分享，内容根据公开资料编辑，版权归原作者；如有侵权请在线留言删除。文章旨在介绍健康科学进展，不能作为治疗方案；如需精准健康指导，请至正规医院诊疗。
