DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-025-02177-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41644959
تاريخ النشر: 2026-02-05
المؤلف: Abigail Joyce Deloria وآخرون
الموضوع الرئيسي: التصوير الضوئي الصوتي والتصوير بالموجات فوق الصوتية
نظرة عامة
يتناول هذا القسم تطوير وتطبيق نظام تصوير ضوئي توافقي متعدد الوسائط (OC-PAM) لدراسة الأورام العضوية والكراتية السرطانية، والتي تعد نماذج زراعة خلايا ثلاثية الأبعاد أساسية في أبحاث السرطان. تواجه تقنيات التصوير الضوئي التقليدية قيودًا مثل الحاجة إلى وسم الفلورسنت وحجم الصورة المحدود، وهو ما تهدف هذه الدراسة إلى معالجته.
أجرى المؤلفون دراسة طولية باستخدام تصوير التداخل الضوئي (OCM) على الأورام العضلية للثدي، حيث قاموا بتنفيذ خوارزميات الذكاء الاصطناعي (AI) لتقسيم وتصنيف صلاحية الأورام الفردية تلقائيًا على مر الزمن من خلال نهج ميزات نسيجية. تتيح هذه الطريقة تتبعًا كميًا قويًا على مستوى الأورام الفردية. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام تصوير OC-PAM لتصور نماذج الكرات التي تحتوي على خلايا إيجابية الميلانين وسلبية الميلانين، مما أدى إلى رسم توزيع الخلايا الإيجابية الميلانين المخفية بين الخلايا السلبية الميلانين. تشير النتائج إلى أن دمج OC-PAM مع تقنيات الذكاء الاصطناعي يمثل تقدمًا كبيرًا في دراسة الأورام العضوية والكراتية السرطانية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية الأورام العضوية والكراتية السرطانية كنماذج زراعة خلايا ثلاثية الأبعاد متقدمة مشتقة من أورام المرضى أو الحيوانات. تحاكي هذه النماذج عن كثب التعقيد الهيكلي والوظيفي لأنسجة الأورام الأصلية، مما يجعلها لا تقدر بثمن في أبحاث السرطان قبل السريرية، بما في ذلك الدراسات حول التسرطن، وتطوير الأدوية، والطب الشخصي. بينما تشترك الأورام والكرات في ميزات متداخلة، إلا أنها تختلف في مصادر الخلايا والبروتوكولات، حيث تكون الأورام أكثر تمثيلًا نسيجيًا وجينيًا للأورام الأصلية. تمتد فائدتها عبر أنواع مختلفة من السرطان، بما في ذلك سرطان الدماغ والثدي والرئة والقولون والبنكرياس.
يسلط القسم الضوء أيضًا على التقدم في تقنيات التصوير المستخدمة لدراسة هذه النماذج، مثل المجهر الضوئي العادي، والمناعية الفلورية، وطرق أكثر تطورًا مثل المجهر الضوئي التداخلي والمجهر الضوئي متعدد الفوتونات. ومع ذلك، فإن هذه التقنيات لها قيود، بما في ذلك الدقة المنخفضة، والسمية الضوئية، والتحديات في التتبع الطولي. يظهر تصوير التداخل الضوئي (OCM) كبديل واعد، حيث يقدم تصويرًا خاليًا من الوسم، عالي السرعة مع دقة تحت خلوية. تقترح الورقة نظام تصوير ضوئي توافقي متعدد الوسائط (OC-PAM) مدعومًا بتحليل الصور بمساعدة الذكاء الاصطناعي، لتحسين مراقبة استجابات الأدوية في الأورام والكرات. تهدف هذه الطريقة المبتكرة إلى تقديم رؤى شاملة حول صلاحية الأورام وفعالية الأدوية، مما يوجه في النهاية تطوير العلاجات المستهدفة للسرطان.
الطرق
تتفصل ورقة البحث في الطرق المستخدمة في تطوير نظام تصوير الضوئي التوافقي (OC-PAM)، الذي يدمج نظام تصوير التداخل الضوئي في المجال الطيفي (OCM) مع نظام تصوير الصوت الضوئي (PAM) في وضع النقل. يستخدم النظام مصدر 3SLED بعرض نطاق 131 نانومتر مركزي عند 845 نانومتر لـ OCM، حيث يوفر طاقة واردة قدرها 1.53 مللي واط، بينما يعمل مصدر تحفيز PAM عند 532 نانومتر مع طاقة نبض قدرها 50 نانوجول لتصوير الكرات و46 نانوجول لتصوير زراعة الخلايا ثنائية الأبعاد. يتم مشاركة المسار البصري لكلا النظامين الفرعيين، باستخدام نظام مسح مترافق يتكون من مرايا جلفانية ومرايا كروية، مع تصميم مجهر مقلوب يسهل تصوير العينات.
تشمل تكوينات النظام مرحلة دوارة لتقليل الانعكاس الخلفي من سطح الشريحة، مما يسمح بتحديد موضع العينة بدقة. يحقق نظام OCM دقة جانبية تبلغ 3.4 ميكرومتر ودقة محورية تبلغ 2.68 ميكرومتر، بينما يوفر PAM دقة جانبية متفوقة تبلغ 1.9 ميكرومتر ودقة محورية تبلغ 61.8 ميكرومتر. يتم وصف بروتوكولات التصوير للأورام العضلية للثدي والكرات، مع أحجام خطوات محددة مستخدمة لتحسين أوقات الاستحواذ. تظهر أنظمة OCM وPAM أوقات استحواذ على الصور تبلغ 9 ثوانٍ و18 ثانية، على التوالي، لحقول الرؤية النموذجية، مع وقت استحواذ أطول يبلغ 84 ثانية لتصوير الأورام على المدى الطويل. يتم تبرير اختيار معدلات الاستحواذ المنخفضة من خلال الحاجة إلى حساسية محسنة في التصوير.
النتائج
يستعرض قسم النتائج ثلاث تجارب أجريت لإظهار قدرات نظام OC-PAM (تصوير الضوئي التوافقي) في معالجة تحديات البحث المختلفة المرتبطة بنماذج السرطان ثلاثية الأبعاد. تم تصميم كل تجربة لتسليط الضوء على ميزات محددة من OC-PAM، مما يظهر مرونته وفعاليته في أبحاث السرطان. يتم تقديم مخطط مفاهيمي يوضح إطار الدراسة في الشكل 1، مما يوفر تمثيلًا بصريًا لتصميم التجربة وأهدافها.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تطوير وتطبيق نظام تصوير التداخل الضوئي (OCM) وتصوير الصوت الضوئي (PAM) لتصوير الأورام العضلية للثدي والكرات على المدى الطويل. تسلط الدراسة الضوء على قدرة OCM على مراقبة ديناميات نمو الأورام المعالجة بالكاربوبلاتين على مدى 21 يومًا، كاشفة عن أنماط نمو مميزة، بما في ذلك نمط نمو ثنائي الطور “توقف ثم تجدد” المميز لخلايا البقاء المقاومة للعلاج (DTP). أظهر التحليل أنه بينما أظهرت معظم الأورام انخفاضًا في النمو استجابة للعلاج، أظهرت نسبة صغيرة زيادات كبيرة في الحجم، مما يشير إلى آليات مقاومة محتملة. أسفر تصنيف صلاحية الأورام باستخدام نهج الإشعاعيات عن منطقة تحت منحنى ROC (AUC) تبلغ 90%، مما يشير إلى دقة عالية في تمييز الخلايا الحية عن الميتة بناءً على ميزات النسيج المستخرجة من بيانات OCM.
علاوة على ذلك، سمح دمج PAM بالكشف عن خلايا الميلانوما النادرة داخل كرات سرطان الثدي، مما يظهر قدرة النظام على تصور الهياكل تحت الخلوية وتحديد تجمعات الخلايا ذات التردد المنخفض. يؤكد المؤلفون على إمكانية نظام OC-PAM للت筛ين غير الجراحي عالي الإنتاجية لفعالية الأدوية وسميتها، مما قد يعزز بشكل كبير عمليات اكتشاف الأدوية. تهدف الأعمال المستقبلية إلى تحسين سير العمل في التصوير والتحليل، وتوسيع آليات التباين، وتحسين قابلية تطبيق النظام على الأورام الأكبر، مما يسهم في النهاية في فهم أعمق لبيولوجيا السرطان ومقاومة العلاج.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-025-02177-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41644959
Publication Date: 2026-02-05
Author(s): Abigail Joyce Deloria et al.
Primary Topic: Photoacoustic and Ultrasonic Imaging
Overview
This section discusses the development and application of a multimodal optical coherence photoacoustic microscopy (OC-PAM) system for studying cancer organoids and spheroids, which are essential 3D cell culture models in cancer research. Traditional optical imaging techniques face limitations such as the need for fluorescence labeling and restricted image volume, which this study aims to address.
The authors conducted a longitudinal study using optical coherence microscopy (OCM) on breast cancer organoids, where they implemented artificial intelligence (AI) algorithms to automatically segment and classify the viability of individual organoids over time through a radiomics texture feature approach. This method allows for robust quantitative tracking at the single-organoid level. Additionally, OC-PAM imaging was utilized to visualize spheroid models containing both melanin-positive and melanin-negative cells, successfully mapping the distribution of melanin-positive cells obscured among the melanin-negative cells. The findings indicate that the integration of OC-PAM with AI techniques presents a significant advancement in the study of cancer organoids and spheroids.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of cancer organoids and spheroids as advanced 3D cell culture models derived from patient or animal tumors. These models closely mimic the structural and functional complexity of original tumor tissues, making them invaluable for preclinical cancer research, including studies on carcinogenesis, drug development, and personalized medicine. While both organoids and spheroids share overlapping features, they differ in cellular sources and protocols, with organoids being more histologically and genetically representative of the original tumors. Their utility spans various cancer types, including brain, breast, lung, colon, and pancreatic cancers.
The section further highlights the advancements in imaging techniques used to study these models, such as brightfield microscopy, immunofluorescence, and more sophisticated methods like confocal and multiphoton microscopy. However, these techniques have limitations, including low resolution, phototoxicity, and challenges in longitudinal tracking. Optical coherence microscopy (OCM) emerges as a promising alternative, offering label-free, high-speed imaging with subcellular resolution. The paper proposes a combined optical coherence photoacoustic microscopy (OC-PAM) system, enhanced by AI-assisted image analysis, to improve the monitoring of drug responses in organoids and spheroids. This innovative approach aims to provide comprehensive insights into organoid viability and drug efficacy, ultimately guiding the development of targeted cancer therapies.
Methods
The research paper details the methods employed in developing the Optical Coherence Photoacoustic Microscopy (OC-PAM) system, which integrates a spectral domain Optical Coherence Microscopy (OCM) subsystem with a transmission mode Photoacoustic Microscopy (PAM) subsystem. The system utilizes a 3SLED source with a bandwidth of 131 nm centered at 845 nm for OCM, delivering an incident power of 1.53 mW, while the PAM excitation source operates at 532 nm with a pulse energy of 50 nJ for spheroid imaging and 46 nJ for 2D cell culture imaging. The optical path for both subsystems is shared, utilizing a conjugated scanning system comprising galvanometer mirrors and spherical mirrors, with an inverted microscope design facilitating sample imaging.
The system’s configuration includes a rotational stage to minimize back-reflection from the slide surface, allowing for precise sample positioning. The OCM subsystem achieves a lateral resolution of 3.4 µm and an axial resolution of 2.68 µm, while PAM offers a superior lateral resolution of 1.9 µm and an axial resolution of 61.8 µm. Imaging protocols for breast cancer organoids and spheroids are described, with specific step sizes employed to optimize acquisition times. The OCM and PAM systems exhibit image acquisition times of 9 s and 18 s, respectively, for typical fields of view, with a longer acquisition time of 84 s for longitudinal imaging of organoids. The choice of lower acquisition rates is justified by the need for enhanced sensitivity in imaging.
Results
The results section outlines three experiments conducted to demonstrate the capabilities of the OC-PAM (Optical Coherence Photoacoustic Microscopy) system in addressing various research challenges associated with 3D cancer models. Each experiment was designed to highlight specific features of OC-PAM, showcasing its versatility and effectiveness in cancer research. A conceptual schematic illustrating the study’s framework is presented in Figure 1, providing a visual representation of the experimental design and objectives.
Discussion
In this section, the authors discuss the development and application of an Optical Coherence Microscopy (OCM) and Photoacoustic Microscopy (PAM) system for longitudinal imaging of breast cancer organoids and spheroids. The study highlights the ability of OCM to monitor the growth dynamics of carboplatin-treated organoids over 21 days, revealing distinct growth patterns, including a biphasic “stalled-then-renewed” growth characteristic of drug-tolerant persister (DTP) cells. The analysis demonstrated that while most organoids exhibited reduced growth in response to treatment, a small percentage showed significant volume increases, indicating potential resistance mechanisms. The classification of organoid viability using a radiomics approach yielded an area under the ROC curve (AUC) of 90%, suggesting high accuracy in distinguishing live from dead cells based on texture features extracted from OCM data.
Furthermore, the integration of PAM allowed for the detection of rare melanoma cells within breast cancer spheroids, showcasing the system’s capability to visualize sub-cellular structures and identify low-frequency cell populations. The authors emphasize the potential of the OC-PAM system for non-invasive, high-throughput screening of drug efficacy and toxicity, which could significantly enhance drug discovery processes. Future work aims to refine the imaging and analysis workflow, expand the contrast mechanisms, and improve the system’s applicability to larger organoids, ultimately contributing to a deeper understanding of cancer biology and treatment resistance.