来自伦敦大学学院和欧洲同步辐射光源（ESRF）的科学家，使用欧洲同步辐射装置 (ESRF) 的极光光源 (EBS) 成功地开发了一种Hierarchical Phase-Contrast Tomography(HiP-CT）成像技术，这是一种X射线断层成像技术，应用了洲同步辐射光源（ESRF）第一个高能 (6-GeV)、第四代同步加速器源，名为 EBS，提供了解决高分辨率微弱密度对比所需的光束相干性，同时其亮度比传统的X线增加了 100 倍。

多名科学家应用 HiP-CT 对捐献的五种完整的人体器官进行成像，分别是：脑、肺、心脏、肾和脾，其中包括对曾患Covid-19的捐献者的肺部进行成像。HiP-CT 可显示每个整体器官的结构概览，然后选取多个更高分辨率的感兴趣区，捕获完整人体器官内的器官功能单元和某些个体特化细胞。

供体 1 ：对心脏、肺、肾脏和脾脏进行了成像，是一名 94 岁、体重45 公斤、身高140 厘米的女性，患有右侧侧裂旁和右侧小脑卒中、血管源性认知障碍、抑郁综合征、房颤和高血压性心脏病、微晶性关节炎（痛风）、右肺肺炎（死亡前 3 年）、左眼白内障和皮肤鳞状细胞癌（左颞区）。

供体 2：颅脑成像，是一名 69 岁、体重40 公斤、身高145 厘米的女性，患有 2 型糖尿病，接受盆腔放射治疗子宫癌，右结肠切除术（组织病理学上的良性病变），双侧用于急性阻塞性肾功能衰竭、膀胱切除术、网膜切除术和腹膜癌伴闭塞综合征的肾造口术。

供体 3： 54 岁男性患者，完成左上肺叶和右上叶外围的核心活检，他在住院 21 天后死于 COVID-19。治疗涉及机械通气。关于合并症，在死前未诊断出高血压和 2 型糖尿病。

供体 4：77 岁男性患者，完成右肺下叶活检 。因小肺腺癌（1.4 cm）肺段切除、冠心病、动脉高血压和慢性风湿病（风湿性多肌痛）。

图 1：用于在大型完整软组织样本中从全器官到细胞分辨率的多尺度 3D 成像的 HiP-CT 成像过程。

a，HiP-CT成像标本制备和成像程序流程图；基于低分辨率扫描选择特定高分辨率扫描区域的能力以数据高效的方式提供分层组织结构图像。b，左图，2D 图像切片（每个体素 25 µm）显示横切器官半径（红色圆圈）的每个体素 2.5 µm 的一系列区域的位置；右图，HiP-CT 从肾外表面（左）到样本中心（右）每 7 mm 以每体素 2.5 µm 扫描一次。扫描重叠并缝合以提供完整的器官。通过使用参考扫描程序，放大视图显示整个样带的数据质量和精度保持不变。C, 一个完整的人脑的照片，安装在带有乙醇-琼脂稳定剂的聚对苯二甲酸乙二醇酯罐中，顶部为参考罐。d，左图，整个人肺的最大强度投影，两个随机选择的 volumes of interest（VOI）以每个体素 2.45 µm 的分辨率成像，以绿色 (VOI 1) 和蓝色 (VOI2) 显示。两个高分辨率 VOI 的 3D 重建在插图中显示为 2D 切片。在 3D 高分辨率 VOI 中，可以看到肺血管的精细网格和肺泡及其隔膜的复杂网络。黄色箭头表示 2D 切片中的闭塞毛细血管。右上角，分别为绿色 (VOI1) 和蓝色 (VOI 2) 高分辨率 VOI 的图像堆栈直方图（固定 bin 宽度，0.0001）。e, 来自受 COVID-19（供体 3）影响的完整人肺叶的 HiP-CT 图像的高分辨率扫描的单个代表性切片和从同一患者的对侧肺进行的活检。两个 VOI 都是从每个上肺叶的上周边区域捕获的。在 HiP-CT 图像中，描绘了组织的精细结构，包括毛细血管（红色箭头）和肺泡（蓝色箭头）以及薄的肺泡隔膜（插图中的黄色箭头）。

图 2：HiP-CT 能够对完整人体器官的器官功能单元进行 3D 成像。

脑 (a)、肺 (b)、心脏 (c) 肾脏 (d) 和脾脏 (e) 的 HiP-CT:对于每个器官，使用每个体素25 µm的扫描显示整个器官的3D渲染 (i)。随后的2D切面 (ii-iv) 显示了较高分辨率 VOI 相对于先前扫描的位置。(v)，最高分辨率图像的数字放大，带有描述大脑特征结构特征的注释（ml，分子层；gl，颗粒细胞层；pc，浦肯野细胞），肺（c，毛细血管；ec/ m，上皮细胞或巨噬细胞），心脏（mc，心肌；ca，冠状动脉；ad，脂肪组织），肾脏（e/a，传出或传入小动脉；g，肾小球）和脾脏（rp ，红髓；wp，白髓；a，小动脉；ss，脾窦）。所有图像均使用 2× binning 显示。

图 3：肾脏的 HiP-CT 分析以测量肾小球形态和肾单位数。

a，左上角，HiP-CT 数据集，三种分辨率（每个体素 25、6 和 1.3 µm），从人体肾脏获得，对齐和叠加。a，右上，实质体积测量，半自动分割（绿色）。a，中间，带有虚拟活检圆柱体的每个体素 6 µm 的数据集以白色显示；测量圆柱体内的实质体积。具有插图的代表性 2D 切片显示四个标记的肾小球。总共计数了 853 个位于圆柱内的肾小球；蓝色 + 号用于表示每个肾小球的大致中心。a，底部，1.3 µm 的数据集，带有虚拟活检（红色圆柱体）。该圆柱体内的 13 个肾小球在 3D 中被分割，如带有插图的 2D 代表性切面所示。b，HiP-CT 与在所有 HiP-CT 扫描完成后拍摄的对齐组织病理学切片 ( n  = 1)（用苏木精和伊红 (H&E) 染色）的比较。左列显示 H&E 染色的组织病理学切片的光学显微照片，右列显示 HiP-CT 的二维断层图；黄色框表示已被伪彩色（来自 HiP-CT）或转换为灰度级并反转对比度（来自组织学观察）的图像。

图 4：在 COVID-19 患者的肺部进行 3D 图像分析和形态测量的 HiP-CT成像。

a (i)，对一名死于 COVID-19 相关 ARDS 的患者进行尸检，对完整的左上肺叶进行 25 µm 每个体素的 HiP-CT 扫描的 3D 重建。高分辨率 VOI 显示为红色（每体素 6.5 µm）和蓝色（每体素 2.5 µm）。a(ii)，在每个体素 25 µm 处，在肺周边观察到高强度区域。黄色虚线描绘了一个次级肺小叶。a(iii)，在每个体素 6.5 µm 处，肺实质的异质性包括 (1) 扩张的肺泡管和肺泡结构组织的弥漫性丧失和 (2) 相对保存完好的肺泡结构，并伴有一些水肿变化。a(iv)，在每个体素 2.5 µm 处，我们观察到 (3) 肺泡阻塞，可能代表基于其高强度的凝结血液和 (4) 肺泡隔膜的间质增厚。b，COVID-19 肺的 3D 重建，分割了两个相邻的具有不同程度实质恶化的次级肺小叶，称为 COVID S（恶化程度较小）和 COVID C（恶化程度更大）。c，SARS-CoV-2 未感染（对照）肺（顶部）和 SARS-CoV-2 感染肺（ COVID S小叶（黄色））（底部）内分段腺泡结构的 3D 重建，图像显示了肺中整体表面积的损伤以及更小且形状更不均匀的肺泡。d (i-iii)，以高分辨率（每体素 2.5 µm）对代表性 VOI 进行 3D 重建，用于对照、COVID S和 COVID C组，分别。复制的卷显示了 COVID-19 肺中空域 - 组织界面的视觉表示，其中空域体素和组织体素之间的较小距离为蓝色，而较大距离为黄色。

HiP-CT实现了多个完整人体器官的分层 3D 成像，从整个人体器官到器官内任何位置的单个器官型功能单元和某些特殊细胞，都能提供始终如一的高成像质量。

HiP-CT 将随着同步加速器技术的进步而发展。预计 2022 年在 ESRF 完成的新光束线 BM18 将提供比人体器官大几倍的体积分辨率，同时使用更低剂量的 X 射线，提高灵敏度和更高的速度。这种第四代同步加速器源可能预示着生命科学的新可能性。

文献来源：

Imaging intact human organs with local resolution of cellular structures using hierarchical phase-contrast tomography, C.L. Walsh et al., Nature Methods (2021); https://doi.org/10.1038/s41592-021-01317-x.

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