癌癥是目前導致人類死亡最多的疾病之一，對癌癥分子機理的研究和臨床早期精確診斷是有效治療的基礎。而對腫瘤在組織水平的成像是癌癥研究和臨床診斷的關鍵一環，尤其是在癌癥的診斷中，雖然有各種醫學影像方法，但病理組織檢測仍然是癌癥確診的“金標準”。因此，對組織病理學方法的發展具有重要生物學和臨床意義。現行主流的病理組織成像方法包括H&E染色、免疫組化和免疫熒光等，以光學成像為主，它們容易受到光學背景強、信號不穩定、定量不準確和不同光學方法不能共用等問題的影響，進而影響組織病理檢測的精準性。
磁共振成像(MRI)有望解決光學成像的上述不足，然而，傳統MRI受限于低靈敏度和低空間分辨率，很難應用于組織水平微米分辨率的成像。在本工作中，研究團隊利用近年發展起來的一種新興量子磁傳感器——金剛石中的氮-空位色心(NV色心，一種金剛石單晶中的原子缺陷)，自主建立寬場磁成像裝備，結合量子精密測量與免疫磁標記技術，實現了微米分辨率的腫瘤組織磁成像，并用于肺癌等的檢測。具體而言，研究團隊首先發展了組織水平的免疫磁標記方法，通過抗原-抗體的特異性識別，將20 nm直徑超順磁顆粒特異標記在腫瘤組織中的PD-L1等靶蛋白分子上，接著將組織樣品緊密貼附在金剛石表面，然后利用金剛石中分布在近表面約百納米的一層NV色心作為二維量子磁傳感器，在400nm分辨率的磁顯微鏡上進行磁場成像(圖1)，在毫米級的視野范圍里達到微米級空間分辨率，最后通過深度學習模型重構磁場對應的磁矩分布，為定量分析提供基礎(圖2)。
本研究的新方法主要有四個優點：1、絕對磁定量。磁成像的信號來自相同大小納米磁顆粒的局域磁場，具有可絕對定量的量綱，所以通過磁場強度的計算能實現絕對定量(圖2B)，準確性高。2、能避免背景信號的干擾。生物樣本自身一般都沒有磁場背景，而磁成像方法的頻譜測量方式能有效抵抗組織中的自發熒光的影響，所以能提供純粹的腫瘤標志物信息和很高的圖像對比度(普遍比熒光方法高5倍以上)，同時貢獻于定量的準確性。3、磁信號的高穩定性。磁標記好的生物樣品在室溫大氣環境下放置一年半后，檢測發現磁場信號的分布和強度都沒什么變化，這方便了臨床樣品的長期保存和重復檢測。4、磁和光多模態成像。磁和光是兩個不同的物理量，該研究中的磁成像可以與傳統光學成像聯用，實現對同一組織切片的形態特征和腫瘤標志物的檢測，這對分析腫瘤的微環境和異質性具有重要意義。
除了腫瘤組織，該研究的微觀磁成像技術也可以用于其它生物組織，開展免疫與炎癥、神經退行性疾病、心血管疾病、生物磁感應、磁共振造影劑、磁靶向遞送等領域的組織水平研究和臨床診斷，尤其對于含有光學背景、光透過差和需要量化分析的生物組織具有獨特優勢。
該工作是杜江峰院士團隊繼實現單分子磁共振譜學[Science 347, 1135 (2015); Nature Methods, 15, 697 (2018)]和10nm級分辨率細胞磁成像[Sci. Adv. 5, eaau8038 (2019)]之后，將基于金剛石NV色心的量子精密測量技術交叉應用于生物醫學領域的又一次成功嘗試，對癌癥的研究和臨床診斷都有重要意義。
中科院微觀磁共振重點實驗室特任副研究員陳三友、博士生李萬和和魏海明教授課題組鄭小虎特任教授為該論文的共同第一作者，杜江峰院士和石發展教授為論文的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委、科技部、中國科學院、安徽省和中國科大新醫學聯合基金的資助。
