無需熒光標記，新型超聲技術實現深層組織高分辨成像
在生物醫學領域，成像技術一直是研究者探索人體奧秘、攻克疾病的關鍵工具。從早期的X射線，到后來的核磁共振成像、計算機斷層掃描以及光學成像，每一次成像技術的突破都極大地推動了醫學的發展。然而，傳統光學成像技術受限于組織穿透深度，難以在較深部位獲取清晰圖像，而其他成像技術又存在成本高、操作復雜或有輻射等局限性。近年來，光聲超聲成像技術異軍突起，它結合了光學成像的高對比度和超聲成像的深穿透優勢，為生物醫學研究帶來了新的希望。
光聲超聲成像技術不僅能夠提供高分辨率的圖像，還能實現對生物體內深層組織的無損檢測。這一技術的核心在于利用超聲波激發樣品產生光聲信號，再通過檢測這些信號重建出樣品的光學吸收分布圖像。其獨特的優勢在于既能保留光學成像的高對比度，又能克服光學成像在組織穿透深度上的限制。隨著研究的不斷深入，光聲超聲成像技術在腫瘤早期診斷、心血管疾病監測、神經科學研究等領域展現出巨大的應用潛力，有望為臨床醫學帶來革命性的變化。
研究背景與技術挑戰
傳統成像技術的局限
光學成像技術在生物醫學領域的應用廣泛，例如熒光成像能夠高靈敏度地檢測生物分子，但由于生物組織對光的散射和吸收，其成像深度通常僅限于毫米級。而臨床上常用的超聲成像雖能深入人體，但對比度較低，難以檢測到分子和細胞水平的變化。此外，X射線成像和CT掃描雖然能夠提供清晰的解剖結構圖像，但存在輻射風險，不利于多次檢查和長期監測。核磁共振成像（MRI）雖然具有良好的軟組織對比度和深度穿透能力，但設備昂貴、操作復雜，且成像速度較慢，難以實時監測快速變化的生物過程。
如何融合不同成像模式的優點，克服它們的不足，成為擺在科研人員面前的一道難題。光聲超聲成像技術應運而生，它利用超聲波激發樣品產生光聲信號，再通過檢測這些信號重建出樣品的光學吸收分布圖像，從而實現深部組織的高分辨率成像。光聲效應是指在超聲波作用下，樣品吸收光能并轉化為熱能，導致樣品體積迅速膨脹，產生壓力波，即光聲信號。這些信號攜帶了樣品的光學吸收信息，通過檢測和分析光聲信號，可以重建出樣品內部的光學吸收分布圖像。
技術瓶頸與突破需求
然而，早期的光聲成像技術也面臨諸多挑戰。一方面，如何在保證成像分辨率的同時提高成像深度是研究的關鍵問題。生物組織的異質性和復雜性使得光聲信號在傳播過程中容易受到散射和衰減，影響成像質量。另一方面，實現快速、實時的成像能力對于動態生物過程的捕捉至關重要。許多生物過程如血液流動、神經信號傳導等都在快速變化，傳統的光聲成像技術難以滿足實時監測的需求。此外，光聲成像信號的穩定性和可重復性也是需要解決的技術難題，以確保成像結果的可靠性和臨床應用的可行性。為解決這些問題，研究人員不斷探索新的方法和技術，力求提升光聲超聲成像的性能，拓展其在生物醫學研究中的應用范圍。
技術創新與應用
突破傳統成像局限
在眾多研究團隊的努力下，光聲超聲成像技術取得了顯著的創新成果，極大地拓展了其應用領域。例如，在腫瘤成像方面，研究人員通過設計特殊的造影劑，實現了對腫瘤標志物的靶向檢測，提高了腫瘤診斷的準確性和靈敏度。光聲超聲成像能夠清晰地顯示出腫瘤的大小、形狀和位置，為腫瘤的早期發現和治療監測提供了有力工具。通過將造影劑與腫瘤細胞表面的特異性受體結合，光聲超聲成像可以特異性地標識腫瘤細胞，減少背景信號干擾，提高成像的特異性和對比度。
心血管疾病是全球主要的死亡原因之一，光聲超聲成像在該領域的應用也顯示出巨大潛力。它可以實時監測血管內皮細胞的功能狀態、檢測動脈粥樣硬化斑塊的成分和穩定性，為心血管疾病的早期干預和治療方案評估提供了重要依據。光聲超聲成像能夠檢測血管內皮細胞的早期病變，如內皮細胞通透性增加、炎癥細胞浸潤等，這些變化在動脈粥樣硬化的發展過程中起著關鍵作用。此外，光聲超聲成像還可以評估斑塊的穩定性，預測心血管事件的發生風險。在神經成像領域，光聲超聲成像為研究大腦功能和疾病機制提供了新的視角。它可以非侵入性地監測大腦的血流變化、血氧水平和神經活動，幫助研究人員深入理解大腦的生理和病理過程。例如，通過檢測大腦皮層的血流變化，光聲超聲成像可以用于研究癲癇發作的機制、評估腦損傷的程度以及監測神經退行性疾病的進展。在藥物研發方面，光聲超聲成像可以實時跟蹤藥物在體內的分布和代謝過程，為藥物療效評估和優化藥物設計提供重要信息。研究人員可以通過將造影劑與藥物分子結合，觀察藥物在體內的吸收、分布、代謝和排泄過程，了解藥物在靶組織中的富集情況以及與生物分子的相互作用，從而優化藥物的治療方案。
成像實驗與結果分析
體外實驗驗證
研究人員通過一系列精心設計的實驗，驗證了光聲超聲成像技術的強大性能。在體外實驗中，他們首先對各種造影劑進行篩選和優化，找到能夠產生強光聲信號的納米粒子。這些納米粒子在超聲波的激發下發出光聲信號，研究人員利用高精度的檢測設備收集這些信號，并通過圖像重建算法生成清晰的成像圖像。實驗結果顯示，光聲超聲成像能夠有效區分不同類型的細胞和組織，為后續的體內實驗奠定了基礎。例如，在一項針對腫瘤細胞的體外實驗中，研究人員將造影劑與腫瘤細胞共同孵育，然后使用光聲超聲成像系統進行成像。結果顯示，腫瘤細胞在光聲圖像中呈現出明顯的信號增強，與正常細胞形成鮮明對比，證明了造影劑對腫瘤細胞的良好靶向性和光聲超聲成像的高靈敏度。
在體內實驗中，研究人員將光聲超聲成像技術應用于動物模型，觀察其在活體內的成像效果。實驗發現，該技術能夠穿透數厘米厚的生物組織，清晰地顯示出深層組織的結構和功能信息。例如，在腫瘤模型中，光聲超聲成像能夠實時監測腫瘤的生長和轉移情況，為評估治療效果提供了直觀的依據。研究人員通過向腫瘤荷載小鼠注射造影劑，然后使用光聲超聲成像系統定期進行成像，成功觀察到腫瘤體積的變化以及腫瘤細胞向其他組織的轉移過程。此外，光聲超聲成像在心血管疾病模型中的應用也取得了顯著成果，成功捕捉到血管內皮細胞的早期病變信號，為疾病的早期診斷提供了可能。在一項動脈粥樣硬化模型的實驗中，光聲超聲成像檢測到血管壁中炎癥細胞的浸潤和脂質沉積的變化，這些信息對于評估疾病的進展和治療效果具有重要意義。
對比分析與優勢凸顯
通過與傳統成像技術的對比分析，光聲超聲成像的優勢更加凸顯。與光學成像相比，光聲超聲成像具有更深的組織穿透能力，能夠獲取到深層組織的高分辨率圖像，解決了傳統光學成像在深度方向上的限制。與超聲成像相比，光聲超聲成像提供了更高的對比度和特異性，能夠清晰地顯示組織的光學吸收特性，檢測到分子和細胞水平的變化。與核磁共振成像和CT掃描相比，光聲超聲成像設備相對簡單、成本較低、操作便捷，且無輻射風險，更適合于臨床的廣泛應用和長期監測。例如，在腫瘤成像方面，光聲超聲成像能夠在早期發現腫瘤病變，提供腫瘤的大小、形狀、位置以及血供情況等詳細信息，為臨床診斷和治療決策提供重要依據。在心血管疾病監測中，光聲超聲成像可以實時評估血管內皮功能、檢測動脈粥樣硬化斑塊的成分和穩定性，有助于早期干預和預防心血管事件的發生。
總結與展望
光聲超聲成像技術作為一種新興的生物醫學成像手段，憑借其獨特的優勢和廣泛的臨床應用前景，正逐漸成為生物醫學研究領域的焦點。通過不斷的技術創新和實驗驗證，光聲超聲成像在腫瘤早期診斷、心血管疾病監測、神經科學研究等方面展現出了巨大的潛力。該技術克服了傳統光學成像在組織穿透深度上的限制，同時提供了比常規超聲成像更高的對比度和特異性，為生物醫學研究和臨床實踐帶來了新的機遇。
聲明：本文僅用作學術目的。
Xu C, Huang J, Jiang Y, He S, Zhang C, Pu K. Nanoparticles with ultrasound-induced afterglow luminescence for tumour-specific theranostics. Nat Biomed Eng. 2023 Mar;7(3):298-312.
DOI:10.1038/s41551-022-00978-z.
