肿瘤微环境（TME）的异质性和复杂性对癌症研究提出了巨大挑战。传统二维成像技术难以全面捕捉肿瘤在宏观组织、介观区域和细胞层面的动态特征，而单一的三维光学成像方法往往受限于分辨率或视野范围，无法兼顾多尺度分析需求。近年来，光片显微镜（LSFM）和共聚焦显微镜（CLSM）分别凭借大视野成像和高分辨率优势，成为肿瘤研究的重要工具。然而，如何在同一组织样本中实现两种技术的无缝衔接，并精准追踪特定区域（ROI）的跨尺度关联，始终是技术应用的瓶颈。

研究通过创新性地结合光激活染料标记与透明化试剂切换技术，开发了一套从全器官到细胞级的多尺度三维成像流程。该技术不仅解决了传统物理切片导致的ROI定位偏差问题，还首次实现了肿瘤免疫微环境的高精度空间定量分析，为评估癌症治疗响应和探索转移机制提供了全新视角。

研究背景与技术挑战
肿瘤多尺度成像的迫切需求
肿瘤是由癌细胞、免疫细胞、基质细胞等异质性成分构成的复杂生态系统，其空间分布特征直接影响疾病进展和治疗效果。例如，免疫细胞浸润深度、血管异常结构、坏死区域分布等宏观特征，与特定亚区的细胞间相互作用共同决定了肿瘤的生物学行为。因此，开发能够同时解析毫米级组织结构和微米级细胞排列的多尺度成像技术，已成为癌症研究的重要方向。

技术创新与应用
光激活染料介导的ROI追踪技术
研究的核心创新在于开发了一种基于紫外光激活（UVA）染料的标记技术。这种染料在紫外光照射下会发生化学结构变化，从透明状态转变为紫色，从而在组织周围的琼脂糖凝胶上留下清晰的标记线。这种标记方法不仅能够在光片显微镜下实现光学标记，还能通过物理切割琼脂糖凝胶保留标记位置，确保在后续的共聚焦显微镜成像中准确找到感兴趣区域。

成像实验与结果分析
跨尺度成像的精准性验证
为验证ROI追踪精度，研究团队将荧光微球（直径50-200μm）嵌入琼脂糖模拟肿瘤组织。LSFM定位微球后，通过光激活标记和振动切片成功获取含目标微球的400μm厚切片，CLSM成像显示空间坐标偏差小于5μm。进一步通过结构相似性指数（SSIM）和特征点匹配算法（SIFT-FLANN）分析发现，LSFM与CLSM的虚拟切面图像相似度达0.68-0.89（满分1.0），轮廓匹配误差低于3%，证实了跨尺度数据的空间一致性。

整个肿瘤宏观切片的高分辨率3D多路复用图像

总结与展望
研究建立的关联多尺度三维成像技术，首次实现了从整块肿瘤组织到特定细胞群的跨层级空间解析。通过光激活标记与可逆透明化技术的创新结合，解决了多模态成像中的ROI追踪难题，为肿瘤异质性分析、治疗响应评估和转移机制研究提供了标准化方案。实验数据证实，该技术对免疫细胞浸润、基质-肿瘤界面相互作用等关键生物学过程具备亚细胞级的定量解析能力，其精度显著优于传统分段成像方法。随着空间组学技术的快速发展，本方法与转录组、蛋白组数据的多维整合，有望绘制更全面的肿瘤微环境图谱，推动精准医学向三维空间维度纵深发展。

DOI:10.1016/j.isci.2025.111934.