Nat Commun | 杨林等开发LungVis 1.0：人工智能3D成像技术解析肺部递送与免疫新特征

　　来源：生命科学前沿

　　LungVis_1.0: 基于人工智能的3D成像系统促进精准吸入治疗研究。

　　Credit: Lin Yang | Helmholtz Munich

据世界卫生组织（WHO）统计，全球数百彩票的走势图怎么看的万人受哮喘、慢性阻塞性肺病（COPD）、肺气肿等肺部疾病困扰，这些疾病不仅严重影响患者生活质量，还对全球医疗体系构成重大挑战。针对受损肺部区域进行药物递送是实现有效治疗的关键，使吸入疗法成为快速、靶向彩票的走势图怎么看的治疗的重要手段。然而，确保吸入药物能够精准抵达目标位置始终是一个技术难题。

为了攻克这一难关，亥姆霍兹慕尼黑肺健康与免疫研究所（LHI）的杨林博士和Otmar Schmid博士团队开发了LungVis 彩票的走势图怎么看的1.0，一种基于人工智能3D成像和自动定量可视化分析的生态系统，该技术通过精准解析吸入药物或颗粒在不同组织和细胞间的分布、剂量、转运特征及其相关免疫调节机制，以实现吸入药物精准递送至病变区域，为肺部疾彩票的走势图怎么看的病的精准治疗带来了重要进展。这项研究成果以“LungVis 1.0: an automatic AI-powered 3D imaging ecosystem unveils spatial prof彩票的走势图怎么看的iling of nanoparticle delivery and acinar migration of lung macrophages”为题近日发表在《Nature Communication彩票的走势图怎么看的s》杂志上。

在临床前研究中，小鼠等模式动物被广泛用于肺部药物或纳米颗粒递送的研究，常见递送方式包括气管内滴注（Intratracheal Instillation, ITLI）和气溶胶吸入等。然而，现彩票的走势图怎么看的有成像技术无法在高时空分辨率下同时解析药物递送的分布特征并实现区域定量分析。全面、精确地解析药物在导气气道与深部肺泡区域的分布规律，对于设计精准且疾病特异性的吸入治疗策略至关重要。

同时，肺组织驻留巨噬彩票的走势图怎么看的细胞（TRMs）在维持肺部稳态和异物清除中具有关键作用。然而，TRMs在吸入药物或颗粒的体内长期累积、转运特征及其相关免疫调控机制中的具体功能尚未明确。尤其是关于TRMs的动态性及其在维持组织稳态中的彩票的走势图怎么看的作用，仍存在争议。

针对以上难题，该文章首先建立了一种基于人工智能和深度学习的模型来自动分割3D肺图片。简言之，利用光片层荧光显微成像技术（light sheet fluorescence micros彩票的走势图怎么看的copy, LSFM）对经透明的全肺组织进行扫描（Fig. 1）。LSFM收集的原始肺自发荧光图像作为AI 模型的input，从原始图片中手动分割肺支气管结构形成的一层新光学图像作为AI模型的outp彩票的走势图怎么看的ut。LungVis 1.0 AI 模型集成并优化了以数据为中心的主动学习的卷积神经网络nnU-Net流程，有效克服了光片荧光显微镜（LSFM）成像中的多种伪影，实现了完整气道树的精准无染色标记分割。彩票的走势图怎么看的通过矫正AI自动分割结果并多次反复训练，模型最终达到与专家手动分割相当的准确度（93%-95%），且单个肺样品的平均处理时间仅23分钟，相较于人工手动分割耗时超过100小时，显著提升了效率。

Fig 1彩票的走势图怎么看的 | LungVis 1.0主要实验设计流程图，包括小鼠肺部暴露，三维光片荧光显微镜肺部成像，以及基于人工智能驱动的气道分割技术，用于可视化和定量解析小鼠肺内纳米颗粒沉积的空间和时间分布特征。

作者利用彩票的走势图怎么看的LungVis 1.0对支气管和肺泡区域的纳米颗粒（Nanoparticle, NP）分布特征进行了全局和细胞分辨率的解析，系统研究了四种常见肺部递送方式的即时分布特性 (Fig. 2)：鼻腔液体吸入彩票的走势图怎么看的（intranasal liquid aspiration, INLA）、气管内液体滴注（intratracheal liquid instillation, ITLI）、呼吸机辅助气溶胶递送（ven彩票的走势图怎么看的tilator-assisted aerosol delivery, VAAD）和鼻部单独气溶胶吸入（nose-only aerosol inhalation, NOAI）。结果揭示了不同递送方式在支彩票的走势图怎么看的气管和肺泡区域的显著分布差异：液体递送（如ITLI和INLA）主要导致NP集中于中央或近端支气管，而气溶胶递送（如VAAD和NOAI）实现了均匀分布并有效到达远端肺泡。定量分析显示，ITLI和INLA彩票的走势图怎么看的递送方式下，约20-35%的NP滞留在支气管区域，而气溶胶递送仅有不到10%的NP滞留在支气管，超过90%的剂量成功累积于肺泡中。这表明气溶胶递送在药物分布均匀性及远端肺泡递送效率方面具有显著优势。

F彩票的走势图怎么看的ig. 2 | LungVis 1.0解析不同递送方法NP在肺部支气管和肺泡的分布和定量 （0hpostadminstration）。

针对两种代表性递送方式ITLI和VAAD，作者进一步对NP在体内的彩票的走势图怎么看的长时空累积进行了分析。研究显示，分布于近端腺泡（acini）的NP不会随时间逐渐转移至远端腺泡，提示肺组织内可能不存在腺泡间（inter-acinar）的颗粒转移。同时，观察腺泡内（intra-aci彩票的走势图怎么看的nar）的NP累积特性时发现，在递送后0小时，NP呈现聚集分布，表现为大块堆积的状态。随着时间推移，这些聚集的NP逐渐分散，形成单颗粒状的点状分布。这一现象表明NP在单个腺泡内可能经历了重新分布或扩散彩票的走势图怎么看的的过程（Fig. 3）。

Fig. 3| LungVis 1.0解析VAAD递送后纳米颗粒（NP）在肺部支气管和肺泡区域的长时空分布及定量特征（0，2，24h and 14d post adminstr彩票的走势图怎么看的ation）。

本研究进一步综合运用了多种先进技术，包括组织染色和切片分析NP定位、流式细胞术测定NP吞噬细胞类型、活体成像和离体组织成像，以及离体组织模拟NP与细胞相互作用，系统阐明了肺组织驻留巨噬细彩票的走势图怎么看的胞（TRMs），包括肺泡巨噬细胞（AMs）和间质巨噬细胞（IMs），在NP再分布中的关键作用。研究显示，AMs和IMs通过巡逻、吞噬和迁移等主动机制调控腺泡内NP分布，挑战了将TRMs视为静态实体的传彩票的走势图怎么看的统观点，凸显了主动过程在肺间质NP沉积和滞留中的核心作用。这一发现与癌症研究中NP跨胞吞噬与淋巴引流机制的关键地位相呼应，同时强调了开发基于TRMs动态特性的纳米载药系统，以优化靶向递送策略的必要性。彩票的走势图怎么看的

　　Fig. 4| 多种实验技术解析NP在acini中再分布的细胞学机制。

　　结论和展望

本研究开发了LungVis 1.0，集成组织透明化光片荧光显微镜（LSFM）与人工智能和深度学习（nnU-Net）的技术彩票的走势图怎么看的生态系统，实现了小鼠肺部纳米颗粒（NP）分布的高精度可视化和定量分析。主要成果如下：

· 精准分割与优化流程：通过改进nnU-Net流程，LungVis 1.0克服了LSFM伪影，实现了完整气道树的无标彩票的走势图怎么看的记自动分割。

　　· 多路径分布差异解析：揭示了四种常见递送路径（如气溶胶和液体递送）中支气管、腺泡间及腺泡内NP分布的宏观与微观差异。

· TRMs功能解析：发现肺驻留巨噬细胞（TRMs）在NP细胞命运中的彩票的走势图怎么看的关键作用，为调控TRM吞噬和迁移的精准吸入疗法提供新思路。

· 数据共享：78个小鼠肺的原始数据和AI生成数据集及基于nnU-Net的AI训练模型已通过Zenodo和GitHub开放获取，为进一步研究肺彩票的走势图怎么看的健康和疾病提供支持。

　　该系统为精准吸入疗法和粒子医学开辟了新方向，助力肺部健康和疾病的研究。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54267-1彩票的走势图怎么看的

该文章一作和共同通讯是亥姆霍兹慕尼黑研究中心杨林博士，最后通讯为Otmar Schmid研究员。主要合作单位包括Helmholtz AI，Helmholtz  Imaging，德国癌症研究中心（DKF彩票的走势图怎么看的Z），苏黎世大学生物工程和药理毒理研究所，慕尼黑大学等。本研究部分得到了欧盟Horizon 2020研究与创新计划资助，（项目SmartNanoTox，O.S.和L.Y.）及（HARMLESS，O.S彩票的走势图怎么看的.和L.Y.）。此外，本研究还部分获得了Helmholtz AI通过HGF研究资助（ALEGRA， O.S.和L.Y.）以及Helmholtz Imaging（F.I.）的资助。