综述：《Molecular Cancer》从形态到单细胞分子：生物医学中高分辨率 3D 组织学的变革性进展

为深入理解组织空间结构和分子组成，研究人员探索高分辨率 3D 组织学技术，京大学第三医院等机构的研究人员展开了深入的探索，对高分辨率 3D 组织学技术进行了全面而系统的研究。他们的研究成果发表在《Molecular Cancer》杂志上，为生物医学领域带来了新的曙光。

　　

高分辨率三维（3D）组织分析在生命科学领域掀起了一场变革，它就像一把神奇的钥匙，正在打开一扇扇通往微观生物世界的大门，让我们得以一窥生物组织的空间奥秘。在传统的生物学研究中，我们对组织和细胞的认识往往局限于二维层面，如同观看平面地图，无法全面感知其真实的立体结构和分子组成。而如今，高分辨率 3D 组织分析技术的出现，让我们能够以三维视角深入探索组织的微观世界，了解细胞间的相互作用以及组织的动态变化，这对于揭示生命过程的奥秘和攻克各种疾病具有极其重要的意义。

目前，在肿瘤检测方面，传统的组织活检和成像技术存在一定的局限性。组织活检对组织采样的要求限制了评估的准确性，导致手术切除的效率和精度受到影响；而像超声成像、CT、MRI 等传统成像技术，虽然能帮助医生观察组织，但对于组织的微观结构和分子特征的了解还远远不够。在其他领域，如心血管疾病、神经科学、免疫学等，同样迫切需要更先进的技术来深入研究组织和细胞的奥秘，从而推动疾病的诊断、治疗和预防。

为了突破这些困境，北京大学第三医院等机构的研究人员展开了深入的探索，对高分辨率 3D 组织学技术进行了全面而系统的研究。他们的研究成果发表在《Molecular Cancer》杂志上，为生物医学领域带来了新的曙光。

在研究中，研究人员主要运用了多种关键技术方法。在成像技术方面，采用了光学显微镜（如共聚焦显微镜、多光子显微镜、光片荧光显微镜等）、电子显微镜（扫描电子显微镜、透射电子显微镜等）以及临床成像技术（CT、MRI、超声成像等），这些成像技术从不同角度、不同分辨率对组织进行观察，为研究提供了丰富的图像信息。同时，空间组学技术也是研究的重要手段，包括空间转录组学、空间表观基因组学、空间基因组学、空间蛋白质组学和空间代谢组学等，这些技术能够在保留组织空间结构的基础上，分析生物分子的分布和相互关系。此外，还运用了计算方法对大量的实验数据进行处理和分析，以及 3D 组织重建技术（如生物打印、3D 细胞培养等）来构建和研究组织模型。

研究结果涵盖多个重要方面：

• 3D 组织学技术的全面解析：研究人员详细回顾了 3D 组织学的发展历程，梳理了从早期到现代的关键里程碑事件。同时，对 3D 组织学技术进行了系统分类，深入探讨了各类技术，如显微镜成像、断层扫描方法、单细胞和空间组学、计算方法以及 3D 组织重建（如 3D 培养和球体）等的核心原理、优势和局限性。

• 多领域的广泛应用：
  

• 肿瘤学：单细胞 3D 组织学为肿瘤研究带来了全新的视角。通过它，研究人员能够深入探究肿瘤与微环境之间的复杂相互作用，了解肿瘤细胞的异质性、肿瘤血管生成机制等。例如，通过空间转录组学方法 Open - ST，能够在肿瘤 / 淋巴结边界揭示空间组织的细胞状态和生物标志物，这对于理解癌症转移至关重要；利用多重数字空间分析技术（mplxDSP）剖析胰腺癌的肿瘤微环境，发现了癌症相关成纤维细胞（TAFs）和免疫细胞的独特基因表达模式，为免疫治疗提供了潜在的靶点和预后标志物12。

• 心血管病学：该技术助力绘制成人人类心脏的单细胞分辨率图谱，揭示了心脏不同区域的细胞异质性以及独特的免疫、血管和心肌细胞网络。通过对心脏疾病的研究，发现了与心力衰竭相关的细胞特异性转录变化，以及机械敏感基因在心肌梗死后左心室重构中的关键作用。此外，3D 成像技术在评估心血管疾病，如冠心病、心脏瓣膜病、血管病变等方面发挥了重要作用，为疾病的诊断和治疗提供了详细的结构和功能信息34。

• 神经科学：在神经科学领域，3D 组织学和空间多组学技术的进步使研究人员能够深入了解大脑的细胞类型、基因调控和组织结构。例如，通过 HybISS 技术对人类和小鼠大脑组织进行研究，提高了 RNA 转录本的检测精度，有助于揭示大脑不同区域的复杂结构和功能；构建的 DNA 甲基化图谱和细胞类型图谱，为理解神经元多样性、空间组织和大脑发育提供了重要线索。此外，在研究神经系统疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病等方面，也取得了重要进展，通过高分辨率的技术手段揭示了疾病相关的细胞和分子变化56。

• 免疫学：单细胞 3D 组织学为免疫学研究带来了新的突破。通过它可以详细剖析免疫反应的机制，包括疫苗接种后的免疫反应、免疫细胞在肿瘤微环境中的行为等。例如，空间 CITE - seq 技术能够在细胞分辨率下共定位高维度蛋白质表达和全转录组，揭示了扁桃体中的生发中心反应和 COVID - 19 mRNA 疫苗接种后皮肤的早期免疫反应；通过对自身免疫疾病、感染性疾病和移植免疫等领域的研究，进一步加深了对免疫细胞与组织相互作用的理解，为开发更有效的免疫治疗方法提供了依据78。

• 发育生物学：该技术为发育生物学研究提供了前所未有的视角，帮助研究人员深入了解器官发生、胚胎发育和组织形态发生等过程。通过对人类和小鼠胚胎的研究，绘制了详细的单细胞转录组图谱和空间转录组图谱，揭示了细胞多样性、空间结构和调控机制在早期器官形成中的作用。例如，通过对小鼠胚胎发育的研究，发现了不同器官发育过程中的关键分子机制和细胞间的相互作用，为器官工程和再生医学提供了重要的理论基础910。

• 再生医学：3D 组织学与单细胞基因组技术的结合，为再生医学研究提供了有力支持。在神经、肾脏、心脏和免疫系统等方面的研究中，研究人员能够绘制细胞群体、识别转录动态变化，并揭示组织的再生能力。例如，对蝾螈端脑的研究揭示了神经发生和脑再生的机制，为神经系统疾病的治疗提供了新的思路；对人类肾脏的研究发现了肾脏疾病进展的潜在治疗靶点，为肾脏疾病的治疗提供了新的方向1112。

• 技术挑战与未来展望：尽管高分辨率 3D 组织学技术取得了显著进展，但目前仍面临一些挑战，如成本高昂、技术稳定性有待提高、缺乏标准化的实验设计和数据分析方法等。针对这些挑战，研究人员提出了相应的应对策略，包括增加资金支持、加强技术研发和标准化建设等。同时，对未来技术的发展进行了展望，如开发更先进的成像设备和技术、整合多模态成像技术、应用人工智能和机器学习技术等，这些发展方向有望进一步推动高分辨率 3D 组织学技术的发展，为生物医学研究和临床实践带来更多的突破1314。

综上所述，这项关于高分辨率 3D 组织学的研究成果意义重大。它不仅为我们提供了更深入理解生物组织的结构和功能的工具，还在多个生物医学领域取得了重要突破，为疾病的诊断、治疗和预防提供了新的策略和靶点。随着技术的不断发展和完善，高分辨率 3D 组织学有望在未来发挥更大的作用，推动生物医学领域的进一步发展，为人类健康带来更多的福祉。