Nature：神奇！澳大利亚科学家发明纳米载玻片，无需染色肉眼即可识别早期癌症

在生物和医学研究中，癌变组织和正常组织样品不进行特殊处理时，在标准光学显微镜下无法直接区分，通常被研究的生物材料需要被染色以揭示其秘密，但这样可能会改变样本的特性导致误诊。

最近，澳大利亚拉筹伯大学的Belinda S. Parker副教授和Brian Abbey教授及其团队开发出一种新的显微镜载玻片，避开了这个问题，他们用这种新型载玻片成功区分了正常的上皮组织、癌前组织和乳腺癌组织。这一发明无疑是为医生提供了一把“照妖镜”，让癌变组织无所遁形。

相关研究结果发表在2021年10月7日的Nature期刊上，论文标题为“Colorimetric histology using plasmonically active microscope slides”。

（图注：https：//www.nature.com/articles/s41586-021-03835-2）

近几年，拉筹伯大学的Abbey教授和Eugeniu Balaur博士共同开发并研究了这项技术。正如Abbey所说，“现在一般通过对生物组织/细胞的染色标记使其在显微镜下可以更好的观察。然而，如果要在组织中检测癌细胞，只有染色标记是远远不够的，这也是癌症早期不易发现而被误诊的原因。近几年纳米生物技术飞速发展，我们可以通过控制生物组织与光的相互作用，把这种相互作用的差异转变成不同的颜色来区别健康和不健康的组织。纳米载玻片技术让组织观察变得想观看彩色电视一样，而以前，只能是黑白电视。”

在大自然的漫长的进化过程中，出现了各种色彩的有趣的生物，比如颜色靓丽的蝴蝶、善于伪装的章鱼等等。这是因为它们体壁上有极薄的蜡层、刻点、沟缝或鳞片等细微结构，使光波发生折射、漫反射、衍射或干涉而产生的各种颜色。

典型的自然生物光子纳米结构：(A)芙蓉和郁金香属物种中的一维光栅30；(B)昆虫、鸟类、鱼类、植物叶、浆果、藻类等存在的一维周期性多层膜；(C)在蝶和某些闪光的植物叶子；(D)一些夜间昆虫带有2D光栅，抗反射和自我清洁；(E)某些海洋生物的彩虹色的毛发；(F)昆虫表面的的球体的固体材料产生的彩虹色；(G)逆蛋白石类似的纳米结构生成的蝴蝶的彩虹色。DOI：10.1039/c2cs15267c

（图注：以自然为师，通过仿生结构，在实验中改变微观结构的周期性的排列距离和偏振角就得到了得到不同的列阵颜色。DOI：10.1038/srep12450）

在此基础上，Abbey教授和他的团队设计出了一种用于生物组织呈像的纳米载玻片。这种纳米载玻片包括了普通载玻片基底、纳米涂层以及超薄保护层。其中，纳米涂层具有470-550 nm可见光范围内的列阵结构。超薄保护层是为了保护整个纳米载玻片，以免受到环境的侵袭使其呈像功能更加稳定。当样本组织放在这种载玻片上时，样品局部厚度以及介电常数的改变会导致透射光通过与载玻片微观孔阵列时的光谱的变化。

简单来说，样品可以改变纳米载玻片的微观结构从而导致透过的光谱的差异。在观察纳米载玻片上的样品时就产生了明显的色差效应，最终使我们观察到了不同的颜色。

（图注：概念设计及基本原理。由于介电常数的突变，样品表面出现了不连续现象。树脂覆盖了图像的底部三分之二，标记为“样品”，而图像的顶部是裸露的，标记为“空气”；红色虚线表示两者之间的边界。下面，SPP谐振模式的波长对局部介电常数非常敏感。）

“照妖镜”有了，那它的效果是否会如研发团队所愿，还要看看实际应用的效果。研发团队为了能清晰地观察到乳腺癌发生发展的各个不同阶段，它们选择了一种自发性乳腺癌的动物模型MMTV-PyMT小鼠，这是研究早期乳腺癌中的细胞变化的最佳选择。正如所愿，在实验中，这种纳米载玻片成功地通过颜色差异对健康组织和非健康组织做出区别，这种区别与传统染色标记法的结果一致而且更加优秀。

（图注：健康（上）和癌变（下）组织的特征以及不同位置的光谱强度的变化。）

（图注：通过组织病理学评估的区域绘制成亮度与色调的函数）

在应用过程中，研究团队还发现了一个重要的现象。在同一个体中，健康细胞与癌变细胞的交界并不明显，存在一个互相重叠的区域。也就是说，同一个体的健康细胞具有癌变的趋势，最终基本上会发展成侵袭前和侵袭性肿瘤。而这些状况与对照样本（正常小鼠）的组织基本不重叠。通俗来说，这种纳米载玻片具有癌症早期的预测诊断能力。

研究者们制作了连续切片并使用细胞角蛋白5/6（CK5/6）和雌激素受体（ER）作为标记物来对比纳米载玻片和传统染色技术对UDH和DCIS的区分效果。实验结果显示，对比UDH，DICS纳米载玻片样本中的颜色明显增加，纳米载玻片与CK5/6和ER对组织的呈像变化趋势的变化是一致的，然而，纳米载玻片样本中的对比度明显更强，颜色也更深。这体现了纳米载玻片的可靠性和对传统技术的提升。

（图注：纳米玻片和常规染色图像对健康（左）、浸润性（右）乳腺癌组织的显像对比。比较不同组织使用四种不同的技术处理对比：纳米玻片、H&E染色、CK 5/6和ER染色（下）。）

（图注：DCIS病变中纳米玻片染色增加，与CK 5/6和ER表达的变化相一致。）

纳米载玻片技术是生物组织呈像的一次技术革新，使医生和研究者摆脱了不清楚的黑白呈像图片，拥有了彩色呈像技术且可以更有效地观察到潜在癌变细胞，这大大提高了早期癌症治疗的效率。有朝一日，让医生人手一面“照妖镜”，把潜伏的“妖怪”全都揪出来！就算孙大圣来了，估计也会佩服。这就是科学的力量！

原始出处：

Balaur， E.， O’ Toole， S.， Spurling， A.J. et al. Colorimetric histology using plasmonically active microscope slides. Nature 598， 65–71 (2021). https：//doi.org/10.1038/s41586-021-03835-2.