Advanced Science:肺结构与吸入微粒在肺内分布跨尺度重建

图1 利用MOST和f-MOST系统,重建多尺度全肺结构和吸入颗粒分布的策略示意图。将未吸入颗粒的正常小鼠(A)和吸入颗粒的小鼠(B)的肺染色、脱水,然后将树脂包埋的肺组织固定在底座上,进行成像(i)。MOST系统体素分辨率为0.35×0.35×1 mm,f -MOST系统体素分辨率为0.35×0.35×2 mm。随后通过背景校正、降噪、对比度增强等方法对图像进行优化,进一步提高图像质量(ii)。将高质量的肺冠状数据集导入Amira软件来可视化整个肺表面及其内部气管树结构(iii)。

2019年,新型冠状病毒肺炎的爆发再次将肺部疾病推入人们的视野,然而与肺相关的疾病远不止高传染性肺炎,许多高致死率的疾病,如肺癌、肺纤维化也威胁着人们的生命健康。因此,全面了解肺的复杂生理结构对于深入探究这些疾病的发生、发展规律具有重要的意义。但目前已有的成像方法无法同时兼顾全肺尺度的成像范围和探测肺泡等细小结构所需的亚微米级的分辨率。

来自殷宪振博士、张继稳研究员、蒋华良院士团队的孙娴、张小川等,采用显微光学切片断层成像系统(MOST),基于全肺尼氏染色,实现了小鼠肺的全结构、高内涵的呈现与解析。本研究不仅构建了小鼠全肺包括气管、各级支气管以及终末细支气管的结构,还实现了肺泡区海绵状结构的可视化,对小鼠肺组织结构研究提供了更加精确的解剖学数据。同时,该方法也实现了肺内气管、动脉、静脉的同时表征,在三维水平上观察到动脉血管表面沿血流方向的内皮细胞伸长效应。除此之外,本研究所建立的数据融合分析方法也将有助于对其他组织,如心脏、肝脏、脾脏、肾脏和肿瘤精细/病理结构的研究。

图2 跨尺度小鼠全肺各级气管及肺泡结构重构

(A)小鼠全肺气管树; (B)终末细支气管表面; (C)肺腺泡区域

肺不仅是多种疾病的发病部位,其肺腺泡区巨大的吸收表面积、高度的溶质渗透性和相对较低的代谢酶活性等结构相关特点,也使干粉吸入剂成为治疗这些疾病和药物输送的重要手段。干粉吸入剂直接将微粉化的药物及其载体封装于胶囊或多剂量储库中,通过使用干粉吸入装置,患者主动吸入被雾化的药物微粒,直接将药物送到肺部。但目前干粉吸入剂面临的一个重要、尚未回答的问题是:在单颗粒水平,吸入微粒在肺内各级气管及肺腺泡中是如何分布的?为此,基于对全肺水平的精细结构的解析,本研究进一步利用荧光标记的交联环糊精金属有机骨架材料(CL-CD-MOF)为模型吸入微粒,借助荧光-显微光学切片断层成像系统(f-MOST),首次在三维、原位、单颗粒水平上观察了CL-CD-MOF微粒在肺部的空间分布,获得了至今分辨率最高的微粒全肺分布图,实现吸入微粒在全肺分布测定方法学上的突破。本研究揭示的微粒在各肺叶、以及相同肺叶不同区域的不均匀分布,为干粉吸入剂经典体外NGI/ACI表征模型的再评价提供了具有生理意义的微粒空间分布基础。同时,本研究也将启发f-MOST系统在纳米材料设计及纳米递药系统体内命运研究中的应用。

图3 吸入颗粒物在全肺尺度上的分布模式

(A)吸入微粒在全肺各级气管中的分布; (B)微粒在气管表面的聚集;(C)单微粒水平吸入微粒在肺泡内的分布可视化

相关研究结果发表于Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202003941)。