如何实现对类器官的高通量3D成像与精准分析？—北京基尔比3D活细胞灌流培养

 

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近年来，类器官（organoids）作为模拟真实器官结构与功能的体外三维（3D）细胞模型，在发育生物学、疾病机制研究、药物筛选和再生医学等领域得到广泛应用。然而，随着研究规模的扩大和精度的提升，如何实现对类器官的高通量3D成像与精准分析，成为当前生物医学研究面临的重要技术瓶颈。

本文将结合最新发表于《Nature Methods》的研究成果，系统梳理类器官高通量3D成像与分析面临的核心挑战，并介绍一套集成化、AI驱动的解决方案——“数字化类器官”平台及其核心工具3DCellScope。

“数字化类器官”（digitalized organoids）的高通量3D成像与分析平台，结合人工智能（AI）多层级分割与细胞拓扑分析技术，用于研究类器官结构中的细胞形态与拓扑变化。该平台的核心工具3DCellScope，一个用户友好的软件界面，支持3D细胞核、细胞质和整个类器官的分割，并生成数百个形态与拓扑参数，用于数据挖掘与生物学解释。

一、类器官高通量3D成像与分析面临的主要挑战

1. 图像质量不一，分割精度受限

类器官成像通常涉及多种显微镜平台（如共聚焦、双光子、光片等），图像在分辨率、信噪比（SNR）、各向异性等方面差异显著。传统3D细胞分割工具（如Ilastik、Cellpose、OrganoidTracker）在面对低分辨率、低SNR或密集细胞结构时，分割精度显著下降，且对训练数据依赖性强，难以适应不同实验条件。

2. 缺乏通用、快速、可扩展的3D分割工具

现有AI分割模型多为特定任务训练，泛化能力差，且通常需要高计算资源与编程技能，难以在普通实验室中推广。此外，多数工具仅支持核分割，缺乏对细胞质和整个类器官结构的多层级分析能力。

3. 数据分析维度单一，难以揭示空间组织信息

目前研究多聚焦于类器官整体形态或2D截面特征，缺乏对细胞在三维空间中排列方式（即“拓扑结构”）的定量描述。细胞的空间分布、局部邻域关系、组织模式（tissue patterning）等信息对于理解细胞命运决定、功能分化及病理变化至关重要，但传统方法难以提取。

4. 数据量大、分析流程复杂、用户门槛高

高通量成像产生的3D图像数据体量大，手动分析效率低，且现有工具链多为分散式（分割、分析、可视化分离），缺乏一体化平台，导致研究人员在数据处理、参数调整、结果解释等方面面临较高技术门槛。

二、解决方案：数字化类器官平台与3DCellScope

为应对上述挑战，本文介绍的研究团队开发了一套集成化、AI驱动的3D类器官分析平台——“数字化类器官”（digitalized organoids），并推出其核心软件工具3DCellScope。该平台通过以下创新点实现了类器官高通量3D成像与分析的突破：

1. 多层级3D分割：从细胞核到类器官整体

1.1 核分割：采用自研AI模型DeepStar3D，基于StarDist架构，在模拟真实成像条件下训练，具备极强的泛化能力。在多个独立数据集（包括结肠类器官、乳腺癌球体、胰腺癌组织等）上，DeepStar3D在分割精度（F1-IoU）和推理速度上均优于现有主流模型（AnyStar、Cellos、OpSeF）。

1.2 细胞分割：利用核轮廓作为种子，在肌动蛋白（actin）通道上应用3D灰度watershed算法，实现细胞质精准分割，误差率低于8%。

1.3 类器官轮廓分割：基于Otsu阈值与形态学滤波，自动提取整个类器官边界，支持后续空间定位与边界分析。

2. 3D拓扑描述符：揭示细胞空间组织模式

该平台首次引入基于细胞核空间位置的3D拓扑描述符，通过拟合局部邻域椭球，量化细胞间的空间排列方式，定义出三种典型组织模式：

球状（sphere）：细胞分布各向同性，提示随机或松散排列；

棒状（rod）：细胞呈线性或管状排列，提示组织极性或结构形成；

盘状（disk）：细胞呈层状或折叠排列，提示上皮结构或边界形成。

上述方法无需先验知识或额外染色，适用于多种类器官与微环境系统，成功用于区分不同几何微环境（如“cup”与“well”结构）下的细胞排列差异，并在胰腺癌类器官中揭示核心、芽、边缘区域的结构异质性。

3. 用户友好的一体化平台：3DCellScope

3DCellScope是一个集成图像导入、AI分割、3D可视化、数据挖掘与统计分析的一站式平台，其主要特点包括：

无需编程：图形界面操作，适配Windows系统，普通实验室电脑即可运行；

模型可切换：支持一键切换不同StarDist模型，便于比较与优化；

实时反馈：支持2D/3D图像与分割掩膜同步查看，提升分析准确性；

数据挖掘功能：支持参数门控（gating）、主成分分析（PCA）、聚类、统计检验等，可生成数百个形态与拓扑参数；

高通量兼容：支持多孔板、多条件、大样本批量处理，适用于药物筛选与空间组学研究。

4. 实验验证：从渗透压到太空微重力

渗透压刺激实验：平台成功捕捉到细胞变圆、核向中心聚集、染色质浓缩等变化，验证其对已知生物学变化的敏感性。

微重力实验：在抛物线飞行实验中，平台通过无监督PCA分析，发现外周细胞在微重力刺激下体积显著减小，揭示细胞对力学刺激的响应具有空间差异性，展示其在极端环境生物学研究中的潜力。

三、展望与意义

“数字化类器官”平台及其3DCellScope工具的诞生，为类器官研究提供了一种通用、精准、高效、易用的3D成像与分析解决方案，突破了传统方法在分辨率、通量、拓扑信息提取等方面的瓶颈。广泛适用于：

- 肿瘤研究：量化肿瘤类器官的空间异质性，辅助精准药物筛选；

- 发育与再生医学：研究细胞自组织与组织模式形成；

- 太空生物学：分析微重力对细胞结构与功能的影响；

- 组织工程：评估不同支架或微环境对细胞排列与功能的影响。

未来，该平台还将整合无标记成像、4D动态追踪等功能，进一步推动3D生物学研究向更高维度、更广应用场景发展。