流式全息层析术如何无标记识别急性髓系白血病中的NPM1突变

niwanmao

AML是一种源自造血干/祖细胞的恶性血液病，其诊断和治疗高度依赖精准的细胞遗传学和分子学分型。NPM1突变广泛存在于约30%的成人AML患者中，且绝大多数发生在外显子12区域。NPM1突变导致的典型现象是核仁定位信号（NoLS）的改变，使NPM1蛋白异常地转移到细胞质内（NPM1c+），并形成特征性的“杯状”核形。这一形态在显微镜下可通过Wright–Giemsa或Pappenheim染色观察到，但现有的检测手段如PCR、免疫组化（IHC）和二代测序（NGS）存在耗时长、依赖化学试剂、对样本要求高等局限，尤其是在最小残留病灶（MRD）监测阶段，灵敏度和可靠性尤为关键。因此，Pirone D等人开发了一种既能准确反映核形改变，又能高效、无标记的全息检测方法。

流式全息层析术与三维核设门

流式全息层析术（HTFC）利用相位成像原理，在细胞自然悬浮流动状态下，实时记录单个细胞的三维折射率（RI）分布，避免了传统静态全息显微术因“缺锥效应”导致的三维重构偏差。为解决核设门过程对复杂形态的适应性问题，研究团队在原有的CSSI算法（仅适用于凸形核）基础上，开发了concave-CSSI算法，能够准确分割“杯状”凹形核。

在实验中，作者选用OCI-AML-2（NPM1-wt）和OCI-AML-3（NPM1突变型）两种细胞系作为模型，针对63个单细胞样本，系统测量了干质量密度、核-胞体积比、表面积比、核凸度指数、核凹度半径、核球形度指数等参数。结果表明，OCI-AML-3细胞的核干质量密度显著高于NPM1-wt对照组，而胞质部分的干质量密度略低，提示NPM1突变不仅改变了形态，也可能导致核内分子组分的改变。此外，“杯状”核形的凹度、凸度指数和球形度均表现出与NPM1突变高度一致的区分力，Fisher判别比和p值均达到统计显著。





HTFC系统在微流控芯片中持续滚动记录单个核形，结合以下流程实现：
3D RI重构：将多角度2D相位图（QPM）堆叠，生成单细胞的三维RI分布。
concave-CSSI设门：先通过RI阈值粗略定位低折射率核区，形成参考体素集，再在全局进行统计假设检验，筛选与参考集统计相似的体素，局部连通，重构真实核形。
形态闭合处理：在3D多面体网格中，保留凹陷信息，同时平滑多面体表面以去除伪影，最终形成三维可视化的核形。
数值验证：通过模拟不同凹度水平的核形状，比较凸形CSSI与concave-CSSI的分割性能，后者在凹形状下F1分数显著优于前者（0.931 vs 0.908）。

从三维重建到虚拟现实沉浸式观察

作者进一步将HTFC重构结果导入Unity平台，结合VR头显（HTC VIVE Pro 2），实现对悬浮AML细胞核形的真实3D沉浸式观察。在VR环境下，用户不仅可以环绕细胞观察核形，还能“穿越”细胞膜，从内侧审视“杯状”核凹陷，并通过虚拟面板实时获取定量数据。见下图效果：



这一新颖的交互体验为病理学家提供了前所未有的表型洞察力，有望用于未来的远程会诊和多学科联合诊断。


该研究为NPM1相关AML的无标记、快速、可视化检测提供了新思路。未来，团队计划将HTFC与人工智能结合，扩展到真实患者样本的大规模分析，自动化识别更多的核内凹陷模式及潜在的基因型差异。




参考文献：Pirone D, Di Natale C, Di Summa M, Mosca N, Giugliano G, Schiavo M, Florio D, Marasco D, Maffettone PL, Miccio L, Memmolo P, Ferraro P. From genotype to phenotype: decoding mutations in blasts by holo-tomographic flow cytometry. Light Sci Appl. 2025 Jul 2;14(1):233. doi: 10.1038/s41377-025-01913-y. PMID: 40603297; PMCID: PMC12222964.