无标记显微成像与深度学习结合的“虚拟染色”技术解决方案介绍
2026-04-22 来源:本站 点击次数:117在传统组织病理学诊断中，化学染色是揭示组织微观结构、辅助疾病判读的核心手段，但其过程具有破坏性，且同一张切片难以进行多次染色。针对这一瓶颈，无标记显微成像与深度学习结合的“虚拟染色”技术提供了一种变革性的解决方案。本文介绍的这项研究，首次将双波长（266 nm与355 nm）激发的光子吸收远程传感（PARS）显微镜系统应用于虚拟染色，成功实现了对同一张无标记组织切片进行多种染色（包括常规H&E及特染Masson’s trichrome、PAS、JMS）的高保真模拟，为数字化病理提供了无损、多对比度的成像新范式。
本项重要研究由James E. D. Tweel, Benjamin R. Ecclestone, James A. Tummon Simmons & Parsin Haji Reza完成，研究成果以题为 “Label-free whole slide virtual multi-staining using dual-excitation photon absorption remote sensing microscopy”的论文形式，于 2026年3月在线发表于学术期刊 “npj Imaging”。
重要发现
01双波长激发PARS：拓展无标记成像的信息维度
本研究最核心的技术贡献在于构建了一套双波长激发的PARS显微镜系统。PARS技术的独特优势在于，它能从一个激发事件中同时捕获辐射（如自发荧光）和非辐射（如光声/光热效应）两种吸收弛豫信号。此前的研究多专注于266 nm（UVC）单波长激发，该波段能通过核酸吸收提供关键的细胞核对比度，并通过细胞外基质的自发荧光显示组织结构。本工作创新性地引入了355 nm（UVA）长波紫外激发源，与266 nm光源在扫描中交错触发，实现了近乎同步的四通道对比度采集。
双波长紫外激发（266 nm + 355 nm）PARS 显微镜捕获的无标记组织信号
355 nm波长的加入，显著扩充了PARS成像的生化特异性对比度。其非辐射吸收通道能强力凸显红细胞（通过血红蛋白吸收）和黑色素等色素结构；而其辐射（自发荧光）通道对胶原、弹性蛋白等细胞外基质成分具有更显著的响应，从而增强了对间质结构的显现能力。这种266 nm与355 nm激发所形成的互补对比机制，为后续的虚拟染色模型提供了远比单波长输入更丰富、更具诊断相关性的组织结构与生化信息基础。
02跨越多染色的虚拟重建：从原理到验证基于上述双激发PARS获取的多通道无标记图像，研究团队采用RegGAN这一集成可学习配准网络的图像翻译框架进行虚拟染色。该框架的优势在于，它能容忍染色前后组织切片之间难以避免的微小形变和错位，在保持监督学习精准映射的同时，生成高保真、高分辨率的虚拟染色图像。
实验在人和小鼠的多种组织（包括患癌肾脏、黑色素瘤皮肤、真菌感染皮肤及健康小鼠器官）上展开，目标染色涵盖了常规的苏木精-伊红（H&E）以及三种特殊染色：显示胶原的Masson’s trichrome、显示糖原和基底膜的过碘酸雪夫（PAS）染色，以及显示肾小球和肾小管基底膜的Jones methenamine silver（JMS）染色。结果显示，虚拟染色图像在整体和细节上与真实的化学染色切片高度相似，能够准确再现诸如肿瘤细胞巢、核多形性、坏死区域、胶原纤维、真菌菌丝、肾小球基底膜等一系列关键的病理学特征。
采用双激发PARS输入的虚拟染色结果及肿瘤结节内的核多形性
03双波长的价值与模型性能的量化证明为确证双波长输入的优势，研究者进行了系统的消融实验与量化评估。仅使用266 nm或仅使用355 nm输入训练的模型，其虚拟染色效果均不及双波长模型。量化指标（MS-SSIM和DISTS）显示，双输入模型在结构相似性和感知相似性上均显著优于单波长模型。针对具体组织特征的定量分析进一步证实：加入355 nm信息显著改善了对胶原区域的染色准确性（通过胶原比例面积CPA评估）；而266 nm提供的核对比度对于准确计数和染色细胞核至关重要。对于红细胞、黑色素和真菌菌丝等特征，双波长模型也呈现出更优的定性视觉效果。
同时进行的虚拟苏木精-伊红（H&E）、马松三色、过碘酸-希夫（PAS）和琼斯金属（JMS）染色
双激发模型改善了跨多个染色的组织学特征的染色
双激发PARS架构、交错扫描模式，以及在每个激发脉冲处触发以采集每个事件的时间序列数据
此外，一项小规模的盲法病理学家评估初步表明，虚拟染色图像在“视觉诊断质量”量表上获得的评分与化学染色图像相当，且病理学家在盲态下难以可靠区分图像的来源（化学染色或虚拟生成）。这为虚拟染色技术的诊断实用性提供了初步的、积极的支持。
组织被分割为无伪影的图像块
创新与亮点
本研究的首要创新在于突破了单一对比度无标记成像在虚拟多染色中的信息瓶颈。通过首创性地将355 nm UVA与266 nm UVC激发结合于PARS系统，研究者巧妙地利用不同生物分子（核酸、血红蛋白、黑色素、胶原/弹性蛋白）在紫外波段的特征吸收与发射差异，构建了一个信息维度倍增的无标记成像工具箱。这使得单一系统便能同步捕获核细节、红细胞、色素沉积和间质架构等多种对病理诊断至关重要的对比度，解决了单一模态对比度有限、难以支撑复杂特染虚拟化的问题。
该工作验证了“一次无标记成像，多次虚拟染色”的全流程可行性，展现了明确的实际应用价值。在生物医学研究领域，该技术能在消耗宝贵的临床活检样本前，预先从同一张切片获取多种组织学对比信息，尤其适用于样本量极少或需要多指标分析的情景。临床病理诊断流程中，它有望作为一种高效的辅助工具，在完成常规H&E诊断后，快速生成虚拟特染图像以供参考，从而减少不必要的物理重切片和染色，缩短诊断周转时间。同时，由于PARS成像本身是无损的，样本在虚拟染色后仍可进行后续的化学染色、免疫组化或分子检测，实现了对珍贵组织样本的最大化利用。
总结与展望
本研究成功地将双波长激发PARS显微镜与先进的深度学习模型相结合，建立了一个强大的无标记虚拟多染色技术平台。它不仅证明了通过互补光学对比度能够高质量地虚拟化多种关键的组织化学染色，更凸显了多维光学信息在提升计算病理模型性能中的核心作用。
当前系统的成像通量相较于成熟的明场全玻片扫描仪仍有差距，是下一步需要借助更高重复频率激光器和快速扫描技术优化突破的方向。此外，研究需要在更大规模、多中心、前瞻性的临床试验中进行验证，并设计针对特定疾病的诊断任务，以严格评估其与金标准染色在诊断效能上的等效性。随着这些工作的推进，这种非破坏性的多对比度成像与虚拟染色技术，有望为数字病理和精准医疗领域带来更具效率与信息深度的全新工具。
论文信息声明：本文仅用作学术目的。
Tweel JED, Ecclestone BR, Tummon Simmons JA, Haji Reza P. Label-free whole slide virtual multi-staining using dual-excitation photon absorption remote sensing microscopy. Npj Imaging. 2026 Mar 31;4(1):22. doi: 10.1038/s44303-026-00154-x. Erratum in: Npj Imaging. 2026 Apr 10;4(1):26.
DOI:10.1038/s44303-026-00163-w.