光片顯微鏡融合組織透明化技術(shù)實(shí)現(xiàn)小鼠全器官水平高分辨率成像

本研究開(kāi)發(fā)了一種創(chuàng)新的相關(guān)成像方法，成功將宏觀心臟電生理學(xué)數(shù)據(jù)與三維微觀心室重建技術(shù)相結(jié)合，旨在揭示纖維化組織在心律失常發(fā)生中的具體作用。通過(guò)應(yīng)用光片顯微鏡和組織透明化技術(shù)，研究人員對(duì)desmoglein-2突變小鼠模型進(jìn)行了全器官水平的高分辨率成像，發(fā)現(xiàn)纖維化區(qū)域表現(xiàn)出頻率依賴性的電傳導(dǎo)行為：低頻刺激時(shí)傳導(dǎo)正常，而高頻刺激則導(dǎo)致傳導(dǎo)阻滯，從而促進(jìn)折返性心律失常。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了對(duì)致心律失常性心肌病機(jī)制的理解，還為個(gè)性化心臟電生理模型提供了新思路。

本研究的核心貢獻(xiàn)者包括Francesco Giardini、Leonardo Sacconi、Camilla Olianti、Gerard A. Marchal等作者；研究成果以題為“Correlative imaging integrates electrophysiology with three-dimensional murine heart reconstruction to reveal electrical coupling between cell types”的論文形式，于2025年10月在《Nature Cardiovascular Research》期刊上線發(fā)表。

重要發(fā)現(xiàn)
01實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與多模態(tài)光學(xué)成像方法
研究首先通過(guò)Langendorff灌流系統(tǒng)分離小鼠心臟，并利用電壓敏感染料（di-4-ANBDQPQ）進(jìn)行光學(xué)映射，以記錄左心室游離壁的動(dòng)作電位形態(tài)與傳導(dǎo)動(dòng)力學(xué)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了低頻（5 Hz）和高頻（10–15 Hz）的心尖起搏協(xié)議，以模擬不同生理狀態(tài)下的電活動(dòng)。完成功能檢測(cè)后，心臟經(jīng)SHIELD組織透明化處理，使其在保持結(jié)構(gòu)完整性的前提下實(shí)現(xiàn)光學(xué)透明。隨后，采用定制的光片顯微鏡（mesoSPIM）進(jìn)行全心室三維掃描，成像體素分辨率達(dá)3.25 μm × 3.25 μm × 3.1 μm，最終重采樣為各向同性的6 μm³體素，從而實(shí)現(xiàn)了從宏觀解剖結(jié)構(gòu)到微觀心肌細(xì)胞排列的多尺度重建。這一技術(shù)組合克服了傳統(tǒng)成像中大體積組織高分辨率數(shù)據(jù)的獲取難題，為后續(xù)分析提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

AP動(dòng)力學(xué)和傳導(dǎo)的功能表征

使用雙光子顯微鏡驗(yàn)證散射信號(hào)

所有納入的DSG2心臟的左心室圖譜

傳導(dǎo)與纖維化分布之間的形態(tài)功能相關(guān)性

額外電刺激期間纖維化對(duì)傳導(dǎo)和心律失常發(fā)生的影響

動(dòng)作電位傳導(dǎo)的綜合計(jì)算建模

解析整個(gè)心臟中的細(xì)胞定向

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
本研究的核心創(chuàng)新在于突破了傳統(tǒng)成像技術(shù)的局限，實(shí)現(xiàn)了全器官水平的功能-結(jié)構(gòu)一體化分析。它解決了以下關(guān)鍵難題：首先，傳統(tǒng)方法難以在保持樣本完整性的同時(shí)獲取微米級(jí)三維數(shù)據(jù)，而光片顯微鏡結(jié)合SHIELD透明化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)小鼠心室的高通量成像，避免了切片帶來(lái)的信息損失；其次，通過(guò)開(kāi)發(fā)自動(dòng)配準(zhǔn)算法，將表面光學(xué)映射數(shù)據(jù)映射至三維網(wǎng)格，克服了二維數(shù)據(jù)與三維結(jié)構(gòu)對(duì)接的挑戰(zhàn)。

在技術(shù)層面，論文提出并優(yōu)化了一套多模態(tài)光學(xué)成像流程：從活體電生理記錄到固定樣本的透明化處理，再到光片顯微鏡的全心室掃描，最終通過(guò)計(jì)算模型進(jìn)行功能驗(yàn)證。其中，散射信號(hào)作為膠原纖維的代理指標(biāo)，無(wú)需免疫標(biāo)記即可量化纖維化，這不僅簡(jiǎn)化了流程，還提高了重現(xiàn)性。此外，圖像導(dǎo)出的纖維取向映射技術(shù)（空間分辨率96 μm）為模擬提供了更真實(shí)的各向異性傳導(dǎo)參數(shù)。

在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面，該技術(shù)為心律失常研究提供了新范式。通過(guò)揭示纖維化區(qū)域的低通濾波特性，它解釋了為何某些患者在靜息時(shí)心電圖正常，而運(yùn)動(dòng)或應(yīng)激狀態(tài)下易發(fā)心律失常。這一發(fā)現(xiàn)有望推動(dòng)個(gè)性化心臟模型的構(gòu)建，在基因治療或藥物篩選中預(yù)測(cè)干預(yù)效果。

總結(jié)與展望
本論文通過(guò)整合光學(xué)映射、組織透明化和光片顯微鏡技術(shù)，首次在全器官尺度上揭示了纖維化心肌的頻率依賴性電傳導(dǎo)機(jī)制。研究證實(shí)，纖維化區(qū)域通過(guò)改變細(xì)胞間耦合和離子通道屬性，形成低通濾波器，從而在高頻刺激下促發(fā)心律失常。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了對(duì)致心律失常性心肌病的病理理解，還強(qiáng)調(diào)了多模態(tài)成像在心臟電生理研究中的核心價(jià)值。展望未來(lái)，該技術(shù)框架可進(jìn)一步與全景光學(xué)映射系統(tǒng)結(jié)合，以捕捉雙心室電活動(dòng)動(dòng)態(tài)；同時(shí)，通過(guò)引入鈣信號(hào)同步記錄或基因編輯模型，有望解析更多分子機(jī)制。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這類高分辨率功能-結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)將推動(dòng)數(shù)字心臟模型的發(fā)展，為個(gè)性化心律失常風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和精準(zhǔn)治療策略提供堅(jiān)實(shí)基石。

DOI:10.1038/s44161-025-00728-9.