伊利诺伊州，香槟-伊利诺伊大学香槟分校的研究人员希望通过在普遍使用的标准光学显微镜中增加红外功能，将癌症诊断带入数字时代。

通过将红外测量结果与高分辨率光学图像和机器学习算法结合使用，研究人员创建了与传统病理技术密切相关的数字活检，并且其性能也超过了最新的红外显微镜。

该小组由生物工程学教授，伊利诺伊州癌症中心主任罗希特·巴尔加瓦(Rohit Bhargava)领导，在《美国国家科学院院刊》上发表了研究结果。

巴尔加瓦说：“优点是不需要染色，可以测量细胞的组织及其化学。测量肿瘤细胞的化学性质及其微环境可以更好地诊断癌症并更好地了解疾病。”

组织病理学的金标准是添加染料或染色剂，以便病理学家可以在显微镜下看到细胞的形状和图案。但是，很难将癌症与健康组织区分开来或查明肿瘤的边界，而且在许多情况下，诊断是主观的。

“一个多世纪以来，我们一直依靠在人体组织活检中添加染料来诊断肿瘤。但是，这种染料诱导的形状和颜色提供的有关驱动癌症的潜在分子变化的信息非常有限，” Bhargava说。

像红外显微镜这样的技术可以测量组织的分子组成，提供可以区分细胞类型的定量方法。不幸的是，红外显微镜价格昂贵，并且样品需要特殊的制备和处理，因此对于绝大多数临床和研究环境而言，它们是不切实际的。

巴尔加瓦(Bhargava)的小组通过在光学相机中添加红外激光器和专用显微镜镜头(称为干涉物镜)来开发其混合显微镜。红外光学混合器通过光学显微镜测量红外数据和高分辨率光学图像，这种光学显微镜在临床和实验室中普遍存在。

Bhargava研究组的博士后研究员，论文的第一作者Martin Schnell说：“我们用现成的组件构建了混合显微镜。这很重要，因为它使其他人可以轻松地构建自己的显微镜或升级现有的显微镜。” 。

研究人员说，将这两种技术结合起来可以利用两者的优势。它具有光学显微镜的高分辨率，大视野和可及性。此外，红外数据可以进行计算分析，而无需添加任何会损坏组织的染料或色斑。软件可以重现不同的污渍，甚至重叠它们以创建组织中内容的更完整的全数字图像。

研究人员通过对健康和癌变的乳腺组织样本进行成像，并将混合显微镜的“染料”结果与传统染色技术的结果进行比较，从而对显微镜进行了验证。数字活检与传统活检密切相关。

此外，研究人员发现，他们的红外光学混合器在红外显微镜上有以下几种表现：覆盖率提高了10倍，一致性更高，分辨率提高了4倍，从而可以在更短的时间内对较大的样品进行红外成像时间，具有前所未有的细节。

施内尔说：“红外光学混合显微镜在生物医学应用中与常规显微镜广泛兼容。”“我们将光学显微镜的易用性和通用性与广泛的红外分子对比和机器学习技术相结合。通过这样做，我们希望改变我们日常处理，成像和理解显微组织结构的方式。”

研究人员计划继续完善用于分析混合图像的计算工具。他们正在努力优化可测量多个红外波长的机器学习程序，创建可轻松区分多种细胞类型的图像，并将该数据与详细的光学图像整合在一起，以精确地绘制样本中的癌症。他们还计划探索混合显微镜成像的进一步应用，例如法医，聚合物科学和其他生物医学应用。

巴尔加瓦说：“在病理诊断方面，这种额外的细节可以提供什么，这非常令人着迷。”“这可以帮助加快等待结果的速度，降低试剂和人员对组织染色的成本，并为癌症病理学提供'全数字'解决方案。”