为了了解皮肤和头发色素沉着以及白化病或黑色素瘤等相关疾病的生物学基础，科学家和医生需要关于色素细胞的结构、内容和位置的定量、三维信息。宾夕法尼亚州立大学医学院的研究人员已经开发出一种新技术，使科学家能够在整个斑马鱼中以3D方式可视化含有黑色素的每个细胞。

　　研究黑色素具有挑战性，因为它阻挡了传统显微镜使用的光线。因此，研究人员转向x射线成像，它可以穿透像黑色素这样的光学不透明物质。

　　2019年，由病理学、药理学、生物化学与分子生物学特聘教授郑基思博士领导的团队开发了“x射线组织断层扫描”-;一种细胞形式的CT成像，以前所未有的分辨率和清晰度研究生物样品中细胞和组织的3D结构。Spencer Katz是Cheng团队的医学博士/医学科学家培训项目的学生，他修改了这种微型ct技术，专门研究黑色素，一种科学家正在研究人类皮肤颜色和黑色素瘤研究的色素，在整个斑马鱼中。

　　黑色素是一种介于棕色和黑色之间的色素，正是这种色素赋予了斑马鱼特有的条纹和人类深色的皮肤、头发和眼睛。15年前，程和他的实验室通过研究一种特殊的突变斑马鱼品系——金色斑马鱼，发现了人类浅色皮肤进化的关键基因，这种斑马鱼的条纹较浅。这一发现证明了斑马鱼模型与研究人类生物学和疾病(包括白化病和黑色素瘤)的关键问题的相关性。

　　微型CT和人体CT一样，使用一系列角度略有不同的x射线来计算或重建原始物体的3D表示。对于微型ct，样品更小，Cheng团队开发的分辨率高出2000倍。卡茨用银染色黑色素，这使得研究人员可以通过扫描整个斑马鱼来确定黑色素的3D位置和密度。

　　为了进行成像，Cheng实验室与加州伯克利劳伦斯伯克利国家实验室先进光源的Dilworth Parkinson合作。这里是美国最强大的同步加速器x射线源之一，他在那里指导适合Cheng的x射线组织断层扫描的微型ct资源。该实验室的新x射线探测器系统旨在实现对整个斑马鱼或人体活检样本的前所未有的分辨率。该团队扫描了斑马鱼正常和改变的色素沉着，包括金色。

　　研究人员能够可视化鱼体内含有黑色素的每个细胞，称为黑色素细胞，并在3D中绘制出它们的每个位置。此外，他们还可以对其黑色素含量进行定量测量，从而首次可以直接比较正常和突变鱼类的黑色素含量。他们在《电子生活》杂志上发表了他们的研究结果。

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　　这项工作为进一步研究含黑色素的癌症或黑色素瘤奠定了基础，黑色素瘤通常是根据肿瘤细胞侵袭的深度来分级的。宾夕法尼亚州立大学癌症研究所的研究员Cheng表示，存在许多斑马鱼黑色素瘤模型，可以使用新技术进行研究。Katz和Cheng说，人类黑色素瘤可以用银染色，并以同样的方式成像，以更完整地表征肿瘤细胞及其在肿瘤中的排列。他们预测，科学家将能够，例如，计算不同特征的肿瘤细胞的数量，更明确地研究侵袭，这是癌症的一个核心特征，帮助医生做出预后和治疗决定。

　　在未来，Cheng实验室将继续开发新的染色和光学方法，以扩大组织层析成像的应用。这项研究代表了如何使用micro-CT实现生物体和组织的全身3D计算分析的原理证明，这可能允许对基因功能进行更全面的了解。

　　宾夕法尼亚州立大学医学院的Maksim Yakovlev、Daniel Vanselow、Yifu Ding、Alex Lin、Victor Canfield和Khai Chung Ang也参与了这项研究。研究中使用的新型镜头系统是由移动成像创新公司的王玉新设计和制造的。作者声明没有利益冲突。

　　这项研究得到了美国国立卫生研究院、宾夕法尼亚州卫生部烟草治疗基金、宾夕法尼亚州立大学医学院杰克·吉特伦癌症研究实验室、宾夕法尼亚州立大学哈克生命科学研究所和宾夕法尼亚州立大学计算与数据科学研究所的支持。

　　这项研究利用了医学院的斑马鱼功能基因组学核心，代表了宾夕法尼亚州立大学人工智能基金会和科学应用中心以及计算表型学倡议的活动。