脑胶质瘤是颅内最狡猾的“暗杀者”，其浸润性生长让外科医生在“切干净”与“保功能”之间极其艰难。传统术中病理慢、取样偏差严重、组织在三维空间中的异质性和结构信息。最新发表于顶刊的重磅研究，将受激拉曼（Stimulated Raman Scattering, SRS）光谱成像与超快深度3D组织学完美结合——无需任何荧光标记或化学染色，直接在术中用光学“看清”肿瘤细胞的化学特征，快速绘制出3D浸润边界。
图片来源：AI生成
近期，复旦大学物理学系季敏标教授团队、复旦大学生物医学研究院施立雪团队，在国际学术期刊《细胞》（Cell）发表研究论文“Ultrarapid deep 3D histology enables intraoperative mapping of glioma infiltration”，推出全新超快速三维病理技术平台ULTRA (Ultrarapid cleared stimulated Raman with AI)。实现将3D深度病理诊断的时间压缩至30分钟以内，其中，受激拉曼散射（SRS）显微成像技术作为该平台的“光学引擎”，发挥了无可替代的核心作用。
从二维到三维：ULTRA破解术中病理难题
肿瘤是立体三维生长的复杂病灶，而病理医生长期以来只能依靠薄薄的二维切片研判病情。尤其对于弥散性浸润的胶质瘤，肿瘤细胞沿组织间隙立体蔓延、分布隐匿，单一平面切片极易遗漏关键病变区域。现有的三维病理技术流程繁琐、耗时长，完整检测周期长达数小时甚至数天，难以满足术中20至30分钟诊断的临床需求。
图 1. ULTRA 原理示意图（来源：上述论文）
ULTRA 平台依托无标记受激拉曼散射（SRS）成像原理，创新性融合快速组织透明化技术与无监督学习图像生成算法，解决了三维病理成像周期漫长的核心技术难题，实现了无需固定、无需切片、无需染色的三维病理分析，将毫米级组织的三维病理获取时间缩短至约30分钟，使三维病理具备术中应用的可行性。
图2.ULTRA三维病理流程（来源：上述论文）
ULTRA的核心流程分为三步
第一步，快速透明化
团队创新研发的ULTRA-clearing快速透明化技术，利用热处理与胆固醇耗竭的协同作用，采用优化试剂配方（d6-DMSO + 尿素 + β-CD1或CD2），在60°C下 2–10分钟完成毫米级组织的快速透明化，该方法保留了组织中>95%的脂质，且不会在碳氢键伸缩区产生背景，为后续受激拉曼散射（SRS）成像奠定基础。
图3.（B）1 mm厚小鼠脑切片在透明化前及经 FOCMS 法透明化处理20分钟与1小时后的照片。(G)不同厚度及透明化时间下，小鼠与人类脑切片的平均及最低信噪比（SNR）。数据表示为均值 ± 标准差（n= 4,6,7,8）
第二步，SRS无标记成像——光学引擎
组织透明化后，利用受激拉曼散射（SRS）显微技术进行成像。通过激光识别组织内脂质、蛋白等分子的特征振动信号，精准区分正常组织与肿瘤组织，规避传统染色技术对组织的损伤与耗时弊端。应用SRS无标记成像正是ULTRA平台得以绕过繁杂染色流程、实现极速成像的关键所在。
图4.SRS高分辨率的无标记三维体积成像（来源：上述论文）
在众多无标记（Label-free）光学成像技术中，受激拉曼散射（SRS）显微镜因其独特的物理特性，成为了实现3D术中虚拟病理的理想工具：
化学键特异性分子成像：SRS通过探测分子化学键振动，能够无标记、非破坏性地直接绘制出组织内部的化学成分分布，无需任何化学染色或荧光标记。
三维光切片能力：SRS基于非线性双光子激发过程，具有与共聚焦荧光显微镜相媲美的光学切片（Optical sectioning）能力，能够直接对厚组织进行Z轴逐层扫描，这是实现“无切片（Section-free）3D成像”的前提。
单细胞级别分辨率及超高成像速度：SRS具备高信噪比和高成像帧率，能够清晰解析单个细胞核及微血管等亚细胞结构，完美契合术中诊断对“速度”和“精度”的双重要求。
SRS是目前唯一经过系统验证、能够在术中时间尺度上实现三维无标记病理成像的技术手段。
第三步，AI虚拟染色与三维分析
对拉曼图像进行降噪、虚拟H&E染色及图像增强，并建立三维组织解析流程，实现细胞核识别、肿瘤浸润边界测量及关键病理特征的分析。通过AI算法将原始光学信号转化为病理医生熟悉的标准病理图像，兼顾成像效率与临床可读性。
图5.预测图像与GT图像、对应的 SRH 图像以及推导出的虚拟H&E图像之间的对比。ULTRA平台基于SRS系统采集的高质量脂质数据，通过三步自监督深度学习（PBDM降噪 + cGAN蛋白预测 + SRC-GAN虚拟染色），生成的三维虚拟H&E图像（右）与真实病理切片（Ground Truth，中）达到高度一致（来源：上述论文）
SRS临床应用价值：赋能快速精准的病理决策
研究团队将基于SRS的 ULTRA 平台直接应用于神经外科临床脑胶质瘤标本的评估，充分展现了SRS技术在实际临床场景中的多维价值：
高效契合术中时间窗口，完全保护稀缺标本
免切片、免染色，<30分钟完成诊断；标本100%无损保留，可直接用于后续RNA测序和免疫组化等分子检测。
消除2D取样偏差，大幅降低术中漏诊率
SRS具备3D光学切片能力，实现全组织连续扫描，克服传统2D切片20%–23% 的漏诊率，精准捕捉单细胞级隐蔽浸润。
单细胞级高分辨率，精准解析胶质瘤3D病理
单细胞级分辨率直观还原“煎蛋样”形态、微血管增生等3D病理特征，并通过核体积分析辅助精准分级。
攻克术中影像与导航盲区，指导肿瘤最大化安全切除
明确MRI水肿区内的真实肿瘤浸润；并在导航失真（脑移位）、电生理监测阴性的区域精准划定边界，指导最大化安全切除。
图6.ULTRA示意图（来源：上述论文）
这项研究代表了病理诊断领域的重要变革——它首次将三维病理的速度推进到术中时间尺度，使三维组织信息有望参与术中的实时决策。受激拉曼散射（SRS）成像技术与AI的深度融合，为手术刀装上了“三维导航”，让医生不再依赖零星几张二维切片“盲测”肿瘤边界，而是能够在完整的三维组织全景中精准规划切除路径。随着AI三维组织解析及分子病理预测技术的发展，未来病理诊断有望从二维切片向三维组织、从局部观察向整体空间解析转变。该技术有效弥补了影像导航与传统病理的双重短板，为术中实时界定肿瘤切除边界、实现肿瘤超全切除、最大程度保留正常神经功能，提供了客观依据。
ULTRA研究团队及合作单位成员，右二为施立雪，左三为季敏标（来源：复旦大学公众号）
季敏标，复旦大学教授/博士生导师，浚真生命科学首席科学家，2024年获国家杰出青年科学基金支持，研究方向集中在发展相干拉曼等非线性光学显微成像技术，及其在生物医学和材料科学等交叉学科中的应用。迄今发表SCI论文100余篇，包括Cell, Science, Science Translational Medicine, Science Advances, Nature Communications等。承担科技部重点研发计划、基金委面上项目、上海市科技创新行动计划等多项科研项目。担任中国光学学会生物医学光子学专业委员会常委，中国激光杂志社编委等职务。
参考文献链接：
https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(26)00824-X
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