高分辨率IMC新技術(shù)實(shí)現(xiàn)低于350納米的分辨率

成像質(zhì)譜細(xì)胞術(shù)（Imaging Mass Cytometry, IMC）是一種強(qiáng)大的多重成像技術(shù)，用于研究健康與疾病狀態(tài)下組織的細(xì)胞表型和空間組織。然而，傳統(tǒng)IMC的空間分辨率目前僅為1微米，能夠分辨單細(xì)胞和大型亞細(xì)胞區(qū)室，但無法解析亞微米級(jí)的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)。本文報(bào)道了一種提高IMC分辨率的方法，使其接近光學(xué)顯微鏡的水平。高分辨率IMC（HR-IMC）采用過采樣方法結(jié)合點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)去卷積技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低于350納米的分辨率。研究展示了HR-IMC在解析亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)（如核焦點(diǎn)和線粒體網(wǎng)絡(luò)）方面的性能，這些結(jié)構(gòu)此前用IMC無法檢測(cè)到，并應(yīng)用于可視化化療誘導(dǎo)的患者來源卵巢癌細(xì)胞的擾動(dòng)。

本研究的重大發(fā)現(xiàn)由Alina Bollhagen、James Whipman、Ricardo Coelho、Viola Heinzelmann-Schwarz、Francis Jacob和Bernd Bodenmiller共同完成。研究成果以題為“High-resolution imaging mass cytometry to map subcellular structures”的論文形式，于2025年10月在《Nature Methods》期刊在線發(fā)表。

重要發(fā)現(xiàn)
01技術(shù)原理與開發(fā)背景
成像質(zhì)譜細(xì)胞術(shù)（IMC）通過激光燒蝕金屬同位素標(biāo)記的抗體并結(jié)合質(zhì)譜檢測(cè)，避免了自發(fā)熒光和循環(huán)偽影，但其分辨率受限于激光燒蝕點(diǎn)大�。�1微米），無法解析小于2微米的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，如線粒體和核仁。提高分辨率面臨技術(shù)挑戰(zhàn)，包括激光穩(wěn)定性、組織穿透和熱降解問題。計(jì)算方法是潛在解決方案，但現(xiàn)有策略如盲去卷積或跨模態(tài)學(xué)習(xí)依賴強(qiáng)先驗(yàn)假設(shè)或高分辨率訓(xùn)練數(shù)據(jù)。本研究提出HR-IMC，基于過采樣和圖像去卷積，無需硬件修改即可提升分辨率。

HR-IMC的核心原理是使用標(biāo)準(zhǔn)1微米激光點(diǎn)以亞微米步長(zhǎng)（如333納米）對(duì)組織進(jìn)行采樣，產(chǎn)生部分重疊的燒蝕區(qū)域。通過降低每次激光能量，實(shí)現(xiàn)多次重疊燒蝕，從而將單個(gè)像素細(xì)分為多個(gè)子像素。去卷積過程利用點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）模型，校正邊界子像素的影響，重建高分辨率圖像。點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)基于子像素的面積貢獻(xiàn)和信號(hào)損失模型構(gòu)建，其中信號(hào)損失通過重復(fù)燒蝕實(shí)驗(yàn)量化，確保去卷積的準(zhǔn)確性。

其次，在高級(jí)別漿液性卵巢癌（HGSOC）組織和應(yīng)用中，HR-IMC揭示了亞微米級(jí)結(jié)構(gòu)，如環(huán)繞細(xì)胞核的線粒體網(wǎng)絡(luò)、纖維狀SMA纖維以及核內(nèi)Ki-67焦點(diǎn)。這些結(jié)構(gòu)在經(jīng)典IMC中無法分辨。通過像素級(jí)聚類分析，HR-IMC識(shí)別出13個(gè)亞細(xì)胞簇，對(duì)應(yīng)線粒體、DNA損傷區(qū)等，而模擬經(jīng)典IMC的數(shù)據(jù)則顯示標(biāo)記物分離不清。聚類質(zhì)量指標(biāo)（如輪廓寬度和鄰域純度）證實(shí)HR-IMC能更好區(qū)分亞細(xì)胞區(qū)室。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01突破成像難題
傳統(tǒng)IMC的分辨率受限于物理激光點(diǎn)大小，無法解析亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，這限制了其在細(xì)胞生物學(xué)中的應(yīng)用。HR-IMC通過過采樣和計(jì)算去卷積，突破了這一瓶頸，將分辨率提升至350納米以下，接近光學(xué)顯微鏡水平。這一突破解決了IMC在亞微米尺度成像的固有 trade-offs，如激光能量與組織完整性的平衡問題。與現(xiàn)有超分辨率方法相比，HR-IMC不依賴大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)或復(fù)雜推斷，而是基于實(shí)驗(yàn)采集優(yōu)化，更具實(shí)用性和可推廣性。

總結(jié)與展望
本研究開發(fā)的HR-IMC技術(shù)成功將成像質(zhì)譜細(xì)胞術(shù)的分辨率提升至亞微米級(jí)別，通過過采樣和去卷積方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的精細(xì)映射。實(shí)驗(yàn)證明，該技術(shù)在多種組織類型和疾病模型中均表現(xiàn)出色，不僅能解析線粒體網(wǎng)絡(luò)、核焦點(diǎn)等結(jié)構(gòu)，還能揭示化療誘導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)變化。創(chuàng)新點(diǎn)在于無需硬件改造即可在現(xiàn)有系統(tǒng)上部署，兼顧了分辨率與多重成像優(yōu)勢(shì)。盡管目前受限于激光燒蝕精度和成像時(shí)間，但隨著儀器進(jìn)步和計(jì)算優(yōu)化，這些限制有望克服。HR-IMC為細(xì)胞生物學(xué)研究開辟了新途徑，未來或可用于發(fā)現(xiàn)復(fù)雜細(xì)胞架構(gòu)和疾病特異性表型，推動(dòng)精準(zhǔn)醫(yī)療和基礎(chǔ)科學(xué)進(jìn)展。展望中，進(jìn)一步整合深度學(xué)習(xí)和其他超分辨率技術(shù)，將強(qiáng)化其在單細(xì)胞分析中的領(lǐng)導(dǎo)地位。

DOI:10.1038/s41592-025-02889-8.