学术|受激拉曼散射显微技术用于人体痛风组织病理成像
时间:2022/8/25 浏览:409
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受激拉曼散射(StimulatedRaman scattering,SRS)

利用分子的化学特异性,对匹配分子振动能级的化学物质进行特异性成像。在先前的研究中,受激拉曼散射成像技术展现了具有无标记、快速、高灵敏度、高特异性等优势,并且能够与病理金标准H&E染色进行较好的对应,有望发展成为一种术中快速病理检测的方法。


痛风是一种常见的代谢性疾病,是由尿酸钠(Monosodiumurates, MSU)微晶体沉积引起的。在人体组织中对MSU的鉴别和快速成像有利于对痛风的早期诊断和快速诊断。


上海浚真生命科学首席科学家、复旦大学物理学系季敏标教授团队、复旦大学附属华山医院华英汇教授和在生物医学1区杂志《Theranostics》上发表论文,利用受激拉曼散射显微成像的无标记、特异性成像优势实现了对人体痛风组织的快速特异性成像,有望为临床医生的快速诊断和难治性痛风的术中决策提供更多帮助。


在此项研究中

研究人员对尿酸结晶MSU测定拉曼光谱,发现MSU具有特异性的拉曼峰(630 cm-1),此拉曼峰足以区分蛋白、脂质以及假性痛风致病物质焦磷酸钙(CPPD)区分开,实现鉴别痛风和假性痛风。因此,对该特征峰进行SRS成像,可实现在痛风病人新鲜组织中对MSU的快速检测,这有利于医生的术中快速诊断。并且SRS具有高灵敏度,对于滑液和组织中少量的MSU依然能成像,SRS展现了具有早期诊断的优势。


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由于SRS的信号与被探测物质浓度成正比,因此该研究采用SRS对距离发病源不同距离处的组织进行成像并通过图像分析来预测其炎症强弱,该结果与免疫组化的结果具有较好的关联度,揭示了SRS的定量分析具有评估炎症强弱的潜力。


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▲用SRS和SHG显微镜对晶体和非晶MSU进行成像和鉴别

(A) 630 cm-1处MSU晶体的共振SRS图像;
(B)在700 cm-1处拍摄的SRS非共振图像;
(C)同一晶体的SHG图像;
(D-F)对应的非晶MSU的SRS和SHG图像。
比例尺:5 μm


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▲SRS诱导大鼠模型(注射后3天)新鲜组织中微晶体的早期检测

(A)急性痛风模型(n = 3只大鼠)显示MSU(绿色,630 cm-1)被胶原蛋白(红色,SHG)包围。
(B) CPPD模型滑膜蛋白(灰色,2930 cm-1)中检测到CPPD沉积(蓝色,1050 cm-1) (n = 3只大鼠)。
(C)联合模型大鼠滑膜组织中MSU和CPPD微晶明显区分(n = 3只)。
(D-E) MSU、组织和CPPD的SRS光谱。
比例尺:20 μm。


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▲慢性痛风组织的SRS、H&E和免疫荧光评价

(A)从距离中心10 mm和20 mm三组GA患者的topfus组织中采样,大尺度SRS/SHG图像(右)覆盖矩形区域(左)。
(B)组织中SRS、H&E和免疫荧光的代表性图像(n = 120),以显示三组之间的差异。SRS/SHG图像显示MSU(绿色)和胶原纤维(红色),免疫荧光图像显示细胞核(蓝色),IL-1β(绿色)和TNF-α(红色)。
比例尺:500 μm (A)、50 μm (B)。


研究者们分析了SRS与免疫荧光强度的相关性,以量化IL-1β和TNF-α表达水平在三组中的分布规律。在冠状区随机选取60对相邻SRS和免疫荧光图像。然后通过在像素级上关联它们的强度来生成统计结果。


各组IL-1β、TNF-α表达水平均与MSU的SRS强度呈中度正相关,相关系数(R值)均在0.5以上,P值均小于0.05。这一结果与NETs理论一致,说明MSU的SRS强度可以预测相应区域的炎症程度。


因此,SRS能够定量表征组织标本的各种特性,并分析级联反应后痛风石的形成。


综上所述,研究人员应用并证明了SRS显微镜可以提供无标记和化学特异性检测MSU,能够早期发现和快速诊断各种类型的组织和关节痛风。利用MSU和CPPD的振动指纹图谱,SRS能够准确地区分痛风和假性痛风。


此外,定量SRS测量痛风组织中MSU与痛风石的病理生理过程密切相关。该研究为痛风的术中诊断,以及对痛风的基础生物医学研究提供了新的契机。


参考文献

Zhang B, Xu H, Chen J, Zhu X, Xue Y, Yang Y, Ao J, Hua Y, Ji M. Highly specific and label-free histological identification of microcrystals in fresh human gout tissues with stimulated Raman scattering. Theranostics 2021; 11(7):3074-3088. doi:10.7150/thno.53755.