新型探針研發一直是各國學者研究的熱點，通過開發、應用對給定生物標志物做出反應的探針，研究人員可以在疾病發生發展過程中對體內分子事件進行成像，這些信息可以提供有價值的細節，有助于疾病診斷和治療監測。光聲成像結合了光學成像的高對比度特性和超聲成像的高穿透深度特性的優點，以超聲探測器探測聲波代替光學成像中的光子檢測，從原理上避開了光學散射的影響，可以提供高對比度和高分辨率的組織影像，為研究生物組織的形態結構、生理特征、代謝功能、病理特征等提供了重要手段，同時滿足現今小動物活體成像所需的“功能”和“結構”成像。iThera Medical作為光聲成像領域的領導品牌，其研發的MSOT inVision 可以非侵入式的進行自動斷層掃描圖像采集，具有無可比擬的靈敏度、高時空分辨率和圖像幀率，幫助捕獲重要信息；多波長檢測，強大的圖像重建與分析功能，能夠對生物組織生色團精準定位及定量，在新型探針開發領域為研究者提供強大影像平臺。在此與大家分享MSOT inVision在新型探針開發方面的應用。在第一篇研究中，研究者報告了兩個基于氧雜蒽的光聲探針(C1X-OR1和C2X-OR2)，用于肝堿性磷酸酶（或β-半乳糖苷酶）的時間空間成像，用于評估和定位藥物誘導的肝損傷（或轉移性腫瘤）。C1X-OR1和C2X-OR2作為可激活的光聲探針，分別用于肝損傷和轉移性腫瘤成像。C1X-OR1用于通過對肝堿性磷酸酶ALP活性作出反應對藥物誘導的肝損傷進行成像;而分子探針C2X-OR2旨在通過感測β-半乳糖苷酶的活性對轉移性腫瘤進行成像，探針體內響應示意圖見圖1。
該研究使用對乙酰氨基酚誘導小鼠肝損傷，然后靜脈注射脂質體C1X-OR1，之后采用MSOT技術通過對肝磷酸酶活性變化的成像來檢測藥物誘導的肝損傷，在肝損傷小鼠的ROI中檢測到光聲信號證明了探針對組織的辨別能力，以單波長（800nm）圖像作為解剖學參考，可與探針的光聲信號進行merge，數據分析得到肝損傷小鼠肝區ROI在不同時間點的平均光聲強度；在注射脂質體探針前和注射30分鐘后，獲取肝損傷小鼠的正交最大強度投影(MIP)圖像；對探針注射30分鐘后不同劑量APAP預處理小鼠進行MSOT成像和量化。該探針是一種用于檢測肝ALP的雙模探頭，熒光成像結果也證明光聲信號的增加是由于肝ALP活性的上升。此外，該研究還使用蛋白質印跡分析、HE染色，實驗結果表明MSOT強度與肝損傷的嚴重程度直接相關。所有這些結果表明，MSOT可以通過時間和空間方式檢測肝損傷引起的肝磷酸酶水平升高。
  為了探索探針在治療過程中跟蹤肝臟康復的能力，每天使用解毒劑喂養小鼠，在藥物治療過程中，肝臟區域的光聲信號逐漸減弱。熒光成像給出了與光聲實驗相似的結果，HE染色，TUNEL染色驗證了實驗結果的一致性（圖3）。
  該研究還在小鼠的左腋窩區域皮下注射卵巢細胞，然后在一定時間后進行瘤內注射C2X-OR2，結果表明，MSOT和熒光模式都可以對卵巢細胞注射結果的異種移植腫瘤進行成像。為了模擬卵巢癌向腹腔的轉移，將卵巢癌細胞注射到雌性裸鼠的腹腔中，并在幾周后通過腹腔內注射C2X-OR2進行光聲成像。注射后3周，腹腔內可觀察到2個光聲信號小點；而6周后可以看到更多更大的斑點，更重要的是，每個時間點的MIP圖像可以準確確定小鼠腹腔內轉移腫瘤的位置，而無法通過熒光成像清楚地觀察到腹腔中小而深的轉移腫瘤。這項研究中，證明了探針C2X-OR2能夠通過MSOT成像檢測和定位轉移性卵巢腫瘤。另一方面，采用MSOT和熒光成像來檢測通過淋巴管從原發腫瘤到淋巴結的轉移，6周后，可以清楚地觀察到原發腫瘤和腫瘤細胞侵入的前哨淋巴結（圖4）。
  另一項研究是研發了適用于NIR-II熒光和光聲成像的雙模探頭：H2O2活化的雙模態納米探針BTPE-NO2@F127，用于診斷間質性膀胱炎和肝臟缺血再灌注損傷。間質性膀胱炎是一種以骨盆疼痛、尿頻、尿急為特征的膀胱炎癥性疾病。很難診斷，因為目前沒有具體的臨床測試來診斷這種疾病，因此通常是在排除其他疾病的情況下診斷出來的。在間質性膀胱炎的情況下，膀胱中存在包括H2O2在內的活性氧的增加，因此H2O2可以作為該疾病的原位生物標志物。該研究中腹腔注射不同劑量的環磷酰胺建立間質性膀胱炎小鼠模型，將納米探針注射到小鼠體內進行NIR-II熒光成像和MSOT成像，結果表明熒光強度隨時間逐漸增加，并在注射后約90分鐘內信號達到最大值，HE染色結果表明模型組有相應的病理損傷（圖5、6）。
    在曲唑酮誘導的肝損傷小鼠模型中，隨著藥物劑量增大，熒光信號和光聲信號增強，并且組織病變程度增加（圖7）。
在上面介紹的2個研究中，iThera光聲成像系統提供了高時空分辨率、斷層掃描、圖像重建及分析、光譜拆分等應用優勢，能夠對生物組織內的生色團精準定位及定量，助力新型探針研發。
 
1. Wu Y, Huang S, Wang J, Sun L. Activatable probes for diagnosing and positioning liver injury and metastatic tumors by multispectral optoacoustic tomography. Nat Commun. 2018
2.  Chen J, Chen L, Wu Y. A H2O2-activatable nanoprobe for diagnosing interstitial cystitis and liver ischemia-reperfusion injury via multispectral optoacoustic tomography and NIR-II fluorescent imaging. Nat Commun. 2021