Cell：全员中文署名，复旦团队开发AI增强的三维病理平台ULTRA，30分钟看清肿瘤全貌，让手术切除更精准

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

三维（3D）组织学提供了对整个样本中组织微结构的立体化洞察，有望实现更准确的预后判断。然而，现有方法对术中会诊而言，速度太慢。

2026 年 8 月 3 日，复旦大学施立雪团队与季敏标团队合作 （刘至杰、李盈盈、陈灵朝为论文共同第一作者），在国际顶尖学术期刊Cell上发表了题为：Ultrarapid deep 3D histology enables intraope rative mapping of glioma infiltration 的研究论文。

该研究构建了一种面向术中诊断的快速三维（3D）病理平台——ULTRA（Ultrarapid cLeared sTimulated Raman with AI），将受激拉曼散射（SRS）显微镜与 AI 技术结合，把传统的二维病理切片升级为超快速三维数字病理，在人类手术神经胶质瘤样本中，实现了30 分钟术中时间窗口内对胶质瘤三维浸润特征的快速解析，真正实现了“术中实时导航”般的肿瘤边界判断，填补了关键临床空白，为医生提供更完整的三维空间病理信息，使手术室中的外科决策更有依据。

为什么我们需要“三维病理”？

说起病理诊断，大家最熟悉的可能就是“活检”——医生从患者身上取一小块组织，做成薄薄的切片，染色后在显微镜下观察。

但这里藏着一个巨大的隐患：肿瘤是一个三维（3D）的、立体的“怪物”，而我们却在尝试只用几张二维（2D）的“照片”去判断它的全貌。对于脑胶质瘤这样侵袭性极强、会沿着神经纤维向周围正常脑组织“悄悄蔓延”的恶性肿瘤来说，这种“管中窥豹”式的检测方式，很容易漏掉那些散落在边缘的癌细胞，导致手术切除不彻底，增加癌症复发风险。

而现有的三维病理技术，虽然能提供更完整的信息，但往往需要几天甚至数周的时间来处理样本——这对于争分夺秒的手术室来说，太慢了。

在这项最新研究中，来自复旦大学的研究团队提出了一个大胆的目标——能不能在 30 分钟内，就完成一个完整组织的三维病理成像？

ULTRA：三步走，让组织“变透明”

为了实现这个目标，研究团队开发了一套名为ULTRA（Ultrarapid cLeared sTimulated Raman with AI）的完整解决方案，这是一个无标记、无染色、无固定、无切片的平台，利用受激拉曼散射（SRS）显微镜的化学特异性进行快速 3D 组织学分析。

简单来说，它包含三个核心步骤——

第一步：ULTRA 清除——“让脑组织变透明”

一块厚厚的、完全不透明的生物组织，里面充满了脂肪和蛋白质，光线难以穿透，要想看到它内部的结构，首先要让它变得“透明”。而传统的组织透明化方法要么太慢（需要好几天时间），要么会破坏关键的化学信号。研究团队发现了一个巧妙的方法：利用一种叫做氘代二甲基亚砜的特殊溶剂，配合尿素和一种能够提取胆固醇的环糊精，在加热到 60℃ 的条件下，仅仅几分钟到十几分钟，就能让厚度为 1-2 毫米的脑组织变得像水晶一样通透！

更厉害的是，这种方法不仅速度快，还能最大程度地保留组织内部的化学成分，尤其是脂质的信号，为后续的精准成像打下了基础。

第二步：SRS 成像——“用光波扫描组织”

组织变透明后，就可以进行成像了。这里用到了一种先进的光学技术——受激拉曼散射（SRS）显微镜。这是一种“无标记”成像技术，不需要任何染料或荧光标记，就能直接“看”到组织中不同分子的分布。具体来说，它可以区分出富含脂质的区域（例如神经纤维的髓鞘）和富含蛋白质的区域（例如细胞核和细胞质）。

在 ULTRA 流程中，研究人员只需要采集一个通道的信号（脂质通道），大大缩短了成像时间。一台商业化的 SRS 显微镜，配合优化的参数，可以在几分钟内完成对整个透明化组织块的逐层扫描，获得一组高分辨率的二维图像堆栈。

第三步：ULTRA 染色——“AI 画出一张虚拟病理片”

原始 SRS 图像虽然包含了丰富信息，但看起来和医生们习惯的传统苏木精-伊红染色（H&E）切片完全不同。为了让病理医生能“看懂”，研究团队训练了三套深度学习模型，构成了一条完整的“虚拟染色”流水线——

• 深度感知降噪模型：由于光在组织中传播时会逐渐衰减，越深层的图像信噪比越低。这个模型专门用来恢复图像质量，让整个三维堆栈每一层都清晰锐利。

• 蛋白通道预测模型：既然只拍了脂质通道，那蛋白通道怎么办？别担心，这个条件生成对抗网络可以根据脂质通道的图像，精准地“猜”出对应的蛋白分布。

• 虚拟 H&E 染色模型：最后，一个经过特殊训练的 CycleGAN 模型，将合成的双通道图像转换为标准的、与金标准石蜡切片几乎一模一样的虚拟 H&E 染色图像。

整个过程，从新鲜组织到最终的三维虚拟病理图像，最快仅需30 分钟！

实战检验：让胶质瘤“原形毕露”

理论再好，也要经得起实践的考验。研究团队将ULTRA平台应用到了真实的人类胶质瘤手术样本中，结果令人振奋——

1、看清肿瘤的“真面目”

在毫米级的肿瘤核心样本中，ULTRA 清晰地呈现出了不同亚型胶质瘤的特征性三维结构：

• 少突胶质细胞瘤：典型的“煎蛋样”细胞形态，细胞核小而圆，排列均匀。

• 星形细胞瘤：细胞核大小不一、形状不规则，伴有微囊性改变。

• 胶质母细胞瘤：这是恶性程度最高的类型，出现了微血管增生和坏死区——这些都是病理诊断的关键指标。

更重要的是，通过三维重建，研究团队可以对数千个细胞核的体积进行精确量化，发现不同肿瘤类型的细胞核体积存在显著差异，为精准诊断提供了新的定量依据。

2、画出肿瘤“入侵路线图”

对于外科医生来说，最头疼的问题莫过于：肿瘤的边界到底在哪里？传统手术中，医生依赖术前磁共振成像（MRI）和术中电生理监测来辅助判断。但 MRI 上的异常信号区域（例如 FLAIR 高信号水肿带）究竟是被肿瘤浸润了，还是单纯的脑水肿？这个问题常常难以回答。

而 ULTRA 给出了答案。在一个取自肿瘤边缘的样本中，研究团队通过三维分析，成功描绘出了胶质瘤的“浸润边界”。他们发现，肿瘤细胞的密度从核心向外围呈现出梯度递减的趋势，甚至在看似正常的组织深处，也捕捉到了单个癌细胞的“潜伏”。

更值得关注的是，当两位独立的病理学家分别查看同一个样本的不同二维切面时，他们都漏掉了某些层面上的肿瘤细胞，误判率高达 20%-23%。而 ULTRA 的三维分析模型，凭借完整的空间信息，做出了更准确的判断。

3、解开 MRI 的“迷雾”

在另外两个完全取自 MRI 定义的“水肿区”的样本中，ULTRA 竟然发现了大量的肿瘤细胞浸润！这说明，影像学上看起来模棱两可的区域，实际上可能已经被肿瘤细胞“攻陷”了。同样，在手术后期因脑移位导致导航定位不准的区域，ULTRA 也成功识别出了常规手段未能发现的肿瘤残留。

颠覆性意义：从“看切片”到“看整体”

这项研究的价值，不仅仅在于“更快”和“更准”，还在于——

无损检测：ULTRA 是一种非破坏性的技术，处理完的组织可以 100% 保留下来，用于后续的分子检测、基因测序等，实现形态学和分子信息的完美融合。

普适性强：虽然该研究聚焦于胶质瘤，但原理上，ULTRA 适用于多种组织和疾病，包括乳腺癌、胃癌、前列腺癌等，有望成为一个通用的三维病理平台。

临床落地：目前商用的 SRS 显微镜已经存在，而 ULTRA 只需要单一脂质通道，大大降低了硬件成本和复杂度，为进入手术室铺平了道路。

从一张薄薄的切片，到一本厚厚的“立体书”；从几天的等待，到 30 分钟的即时反馈。ULTRA 技术的诞生，标志着病理诊断正在经历一场从二维到三维、从离线到实时的深刻变革。对于癌症患者而言，这项研究意味着手术可以更彻底、复发风险更低、预后更好。对于医学界而言，这项研究意味着通往“三维数字病理时代”的大门，已经被悄然推开。

论文链接：

https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(26)00824-X