生物组织是具有众多特异性细胞到器官功能单元的复杂分级三维结构。空间关系、三维形态以及这些长度尺度内和跨尺度的相互作用共同为生物功能提供了基础。因此，将单个细胞的空间结构和形态映射到完整器官的尺度是理解健康或疾病中系统级行为的依据。
完整人类器官整体三维成像，再局部放大至细胞级
技术背景：
生物组织是具有众多特异性细胞到器官功能单元的复杂分级三维结构。空间关系、三维形态以及这些长度尺度内和跨尺度的相互作用共同为生物功能提供了基础。因此，将单个细胞的空间结构和形态映射到完整器官的尺度是理解健康或疾病中系统级行为的依据。
现有成像、数据存储、分析技术无法在单细胞水平上绘制整个人体器官。更可行的方法是以较低的分辨率获得整体空间分布，然后在其基础上选择感兴趣区域进行更高分辨率的成像，这种类型的成像可以被认为是分级成像。目前，分级成像通常涉及在高分辨率成像之前对较大样本进行物理二次采样。物理子采样对数据配准和收集正确或代表性子样本的要求带来了挑战。
当前对完整器官实现多尺度三维成像的探索技术有光透明结合光片显微镜或光学投影层析、高分辨率核磁共振、多光束电子显微镜等。然而，对完整的成年人类器官实现光透明需要数月的时间，此时组织形态已经发生了变化，且光片显微镜目前无法对完整状态的整个器官进行成像。高分辨率核磁共振在离体人脑可实现100um每体素的分辨率，但是耗时约100小时，且无法实现细胞级分辨率。多光束电子显微镜可以提供从细胞到亚细胞尺度的人体组织图像，但不能完成完整器官成像所需的体积采集。
同步加速器X射线层析(synchrotron X-ray tomography,sCT)是一种很有前途的方法，可以在细胞水平上对整个人体器官进行成像。X 射线由于其穿透深度和波长短，本质上适合于对不同长度尺度进行成像。目前已有在32mm直径组织实现约5um分辨率、在1mm直径果蝇腿内实现87nm分辨率的报道，但是未实现分级分辨率。局部断层扫描或变倍(zoom)层析是一种成熟的同步加速器技术，可以实现分级扫描。虽然它已被开发用于小型(500μm)生物组织样本，但经常使用造影剂，如钡或锇。对于染色更具挑战性的大型物体，局部层析仅限于具有高密度差异的物体，例如在骨骼或化石遗骸中发现的物体。在人体器官等大型软组织中，还没有成熟的sCT 技术可以实现远离旋转中心轴的细胞级分辨率。基于相衬的sCT，理论上可以应用于大型软组织成像。然而，这需要高能X射线束来穿透大样本，再加上解析细胞细节所需的高相干性和通量(以及足够大的光束大小以在合理的时间范围内扫描整个器官)，在第四代同步辐射源出现之前，不可能在世界上任何一个单独的同步辐射源光线束上实现。
当前不足：
当前还没有能够在一套设备上对完整人类器官实现从整体到细胞级成像的技术手段。
文章创新点：
基于此，英国伦敦大学学院的C.L. Walsh，欧洲同步辐射设施的P. Tafforeau,德国海德堡大学的W.L. Wagner等人提出了基于欧洲同步辐射装置(European Synchrotron Radiation Facility, ESRF)极亮光源(extremely brilliant source, EBS)的分级相衬层析(hierarchical phase-contrast tomography, HiP-CT)技术。这种技术可以在三维视图中看到完整人类器官内的细小血管以及一些特定的细胞。
原理解析：
结合局部层析和全息术，利用ESRF-EBS的高亮度和高相干特性，在BM05光束线站上对拍摄样品进行脱水及物理固定后，首先对整个器官以低分辨率(如25um/体素)进行扫描，然后选定感兴趣的体积区域(VOI)以高分辨率(如6.5um、1.3um-2.5um/体素)进一步扫描，完成分级成像。25um分辨率完成全脑扫描需要16h，肾脏则是约3.5h。
视频1：完整人脑的多尺度HiP-CT成像
参考文献：Walsh, C.L., Tafforeau, P., Wagner, W.L. et al. Imaging intact human organs with local resolution of cellular structures using hierarchical phase-contrast tomography. Nat Methods (2021).
DOI：https://doi.org/10.1038/s41592-021-01317-x
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