目前在科學研究和腫瘤病理診斷等多方面，以二維形態病理檢測方法為“金標準“，主要進行的是組織二維切片、染色和形態學觀察，無法全面呈現腫瘤組織的三維結構信息，導致對腫瘤的形態、邊界、侵襲范圍等判斷不夠精準，同時難以精確分析腫瘤細胞與周圍血管、神經等微環境的復雜關系，對于理解腫瘤生長、轉移機制存在障礙，導致病理檢測結果出現一定程度漏檢、“假陰性”甚至誤檢。

為了實現更全面、高效的病理檢測，多年來科學界一直在嘗試通過連續切片成像，然后重建三維圖像。然而，這種基于切片的方法由于組織無法連續切片，獲取重建的三維圖像需要大量的切片，成本高且勞動強度大。

近年來，組織透明技術取得了顯著進展，使得器官變得透明，從而可以使用各種光學顯微鏡進行體積成像，如共聚焦熒光顯微鏡、多光子熒光顯微鏡和光片熒光顯微鏡等。這些技術的發展為3D病理學的發展奠定了基礎。

近期，華盛頓大學的研究團隊發表的 “An end-to-end workflow for nondestructive 3D pathology” 介紹了一種名為無損3D病理學的工作流程，旨在生成一致、高質量的3D病理學數據集，以推動其在臨床和臨床前研究中的應用。

工作流程
1、組織制備（染色和光學透明化）
使用類似于傳統H&E染色的方法，用核染料（TO-PRO-3）和細胞質染料（伊紅）對組織進行染色，然后用乙基肉桂酸酯（ECi）使組織透明，以便進行高通量體積顯微鏡檢查。這種使用小分子染料的方法對于厚組織的有效滲透至關重要。

2、3D顯微鏡成像
光片顯微鏡是該流程的理想成像平臺，它能夠快速、溫和地對透明化的標本進行成像。研究團隊最初開發是用于開頂光片（OTLS）顯微鏡，其照明和收集光學器件放置在平面樣本下方，特別適合任意大小和形狀的病理標本成像。此外，通過使用3D“微球”模型和自動方法來量化顯微鏡的點擴散函數，可以建立每個顯微鏡系統的基線性能，并確定理想的成像條件，如考慮探測器計數、光漂白等。

3、數據處理
對于毫米到厘米級組織的整體3D數據集，首先通過在一個主要方向（垂直或水平）掃描標本生成3D 空間數據，然后進行數據“拼接和融合”，以創建一個整體3D體數據。之后，可以將3D整體數據集進行虛擬染色處理，以模擬標準H&E組織學的粉色和紫色外觀，便于病理學家解讀。

4、質量控制
這是確保大規模研究中數據集始終保持高質量的關鍵步驟。包括評估分辨率、對比度和均勻性等定量方法，以提供滿足病理學家期望的高質量假彩色成像結果所需的數據質量水平建議。這些指標也反映了有效下游計算分析所需的質量水平。

應用場景與案例
1、腫瘤學領域
★ 前列腺癌研究的重大突破
無損3D病理學在前列腺癌的診斷和研究中展現出了卓越的能力。研究人員利用該技術對不同大小的前列腺癌標本進行檢測，通過精確的3D成像，能夠細致觀察前列腺組織中癌細胞的分布、腺體結構的變化以及細胞核的形態特征。這不僅有助于更準確地進行格里森分級，減少分級過程中的不確定性，還為后續治療方案的制定提供了關鍵依據。例如，在活檢樣本的研究中，3D病理學清晰地呈現出腫瘤組織的微觀結構，幫助醫生更精準地判斷病情嚴重程度，從而制定個性化的治療策略。

★ 乳腺癌淋巴結轉移的精準評估
對于乳腺癌患者，淋巴結轉移情況是判斷預后和制定治療方案的重要因素。無損3D病理學在這方面發揮了重要作用，它能夠對整個淋巴結進行全面的3D成像，準確測量轉移灶的大小、位置和形態。與傳統2D病理學相比，3D病理學避免了因切片局限性而導致的轉移灶低估問題，為臨床醫生提供了更全面、準確的信息，有助于制定更精準的治療計劃，提高患者的治療效果和生存率。

★ 食管癌診斷的高效助力
在食管癌的診斷中，無損3D病理學結合深度學習技術，顯著提高了檢測的敏感性。通過對大量食管組織樣本的3D成像，能夠更清晰地觀察食管黏膜的病變情況，早期發現微小的腫瘤病灶。同時，該技術減少了病理學家的工作量，提高了診斷效率，為食管癌的早期診斷和治療贏得了寶貴時間。

2、臨床前研究
★ 肝臟細胞培養與藥物篩選
在肝臟疾病研究和藥物研發領域，為3D小鼠肝細胞培養的研究提供了有力支持。通過對肝細胞培養物的3D成像，研究人員能夠觀察細胞在三維空間中的生長、分布和相互作用，模擬體內肝臟組織的微環境。這有助于更準確地評估藥物對肝臟細胞的作用效果，篩選出更有效的藥物分子，為肝臟疾病的治療提供更多的藥物選擇。

★ 腎臟結構與功能研究
在腎臟研究方面，可對整個小鼠腎臟進行不同尺度的成像，清晰地展示腎小球的結構和功能。這對于研究腎臟疾病的發病機制、評估藥物對腎臟的影響以及開發新的腎臟治療方法具有重要意義。例如，在評估腎臟疾病模型中腎小球的損傷程度和修復過程時，3D病理學能夠提供全面、詳細的信息，幫助研究人員深入了解腎臟疾病的病理生理過程。

★ 皮膚藥物遞送研究
在皮膚疾病治療研究中，被用于評估可溶性微針陣列在小鼠皮膚中的藥物遞送效果。通過3D成像技術，可以觀察微針在皮膚中的穿透深度、藥物釋放位置以及對皮膚組織的影響，為優化皮膚藥物遞送系統提供了重要依據，有助于提高皮膚疾病治療的效果和安全性。

3、其他醫學領域
★ 法醫學中的虛擬解剖技術
在法醫學領域，3D病理學技術為虛擬解剖提供了可能。通過進行非侵入性的3D成像，能夠清晰地觀察骨骼、血管等解剖結構，發現潛在的損傷和病變。這不僅可以在不破壞完整性的前提下獲取關鍵信息，還能為法醫鑒定提供更準確、全面的依據，有助于解決復雜的法醫案件。

★ 心血管疾病研究的新視角
在心血管疾病研究中，3D病理學可以對心臟組織和血管進行三維成像，幫助醫生觀察血管壁的厚度變化、斑塊的形成和分布，以及心臟組織結構的異常。這有助于深入了解心血管疾病的發病機制，為疾病的早期診斷和治療提供重要支持。

★ 神經科學研究的有力工具
在神經科學領域，3D病理學能夠展現神經細胞在大腦組織中的三維分布和連接情況，為研究神經系統疾病的病理機制提供了全新的視角。例如，在研究阿爾茨海默病等神經退行性疾病時，通過3D成像技術可以觀察到神經細胞的損傷和丟失情況，以及神經纖維纏結的分布，為疾病的診斷和治療研究提供重要線索。

與其他方法的比較
與無損3D顯微鏡的透明組織成像相比，自動化連續切片顯微鏡是另一種選擇，它通過從厚標本中快速切割薄組織切片來獲得2D圖像。雖然這種方法無需化學透明處理，但可能引入切片偽影，并使3D體積的重建變得復雜。在標記協議方面，抗體染色是臨床組織中小分子染色的主要替代方法，但抗體擴散到厚組織中可能非常緩慢，染色協議也較為復雜。

此外，還有多種光片顯微鏡的替代方法，如共聚焦和多光子顯微鏡等點掃描技術。這些商業點掃描系統在核心設施中廣泛可用，但成像速度相對較慢，且一些激光掃描模式，特別是共聚焦顯微鏡，光效率較低。

總結與展望
3D病理學能夠提供更豐富的組織信息，包括組織的三維結構、細胞間的空間關系以及病變在三維空間中的分布情況。這有助于病理學家更全面、準確地理解疾病的病理過程，做出更精準的診斷。3D病理學技術在提高診斷準確性的同時，還能夠減少因樣本制備和觀察方法的局限性而導致的誤診和漏診。在臨床前研究和藥物研發中，3D病理學能夠更真實地模擬體內環境，為研究細胞行為、藥物作用機制和疾病模型提供更有效的平臺，有助于加速新藥研發進程，降低研發成本。

但3D病理學技術對設備和技術要求較高，需要配備先進的顯微鏡系統、強大的計算設備和專業的圖像處理軟件。數據處理和存儲是3D病理學面臨的另一個挑戰。盡管3D病理學技術在不斷發展，但目前仍缺乏統一的標準和規范，這在一定程度上限制了其在臨床實踐中的廣泛應用和推廣。不同實驗室和研究機構之間的技術差異可能導致數據的可比性和重復性受到影響。

3D病理學作為醫學領域的一項革命性技術，已經在疾病診斷、研究和治療等方面取得了顯著的成果。盡管目前仍面臨一些挑戰，但隨著技術的不斷進步、應用領域的拓展以及相關問題的逐步解決，其未來發展前景十分廣闊。相信在不久的將來，3D病理學將為人類健康事業帶來更大的福祉，推動醫學向更精準、個性化的方向發展。

聲明：本文僅用作學術目的。文章來源于：Kevin W. Bishop, Lindsey A. Erion Barner, Qinghua Han, Elena Baraznenok, Lydia Lan, Chetan Poudel, Gan Gao, Robert B. Serafin, Sarah S. L. Chow, Adam K. Glaser, Andrew Janowczyk, David Brenes, Hongyi Huang, Dominie Miyasato, Lawrence D. True, Soyoung Kang, Joshua C. Vaughan & Jonathan T. C. Liu;An end-to-end workflow for nondestructive 3D pathology;https://doi.org/10.1038/s41596-023-00934-4.