無需熒光標(biāo)記，新型超聲技術(shù)實現(xiàn)深層組織高分辨成像_abio生物試劑品牌網(wǎng)
在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，成像技術(shù)一直是研究者探索人體奧秘、攻克疾病的關(guān)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(xué)成像，每一次成像技術(shù)的突破都極大地推動了醫(yī)學(xué)的發(fā)展。然而，傳統(tǒng)光學(xué)成像技術(shù)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(shù)又存在成本高、操作復(fù)雜或有輻射等局限性。近年來，光聲超聲成像技術(shù)異軍突起，它結(jié)合了光學(xué)成像的高對比度和超聲成像的深穿透優(yōu)勢，為生物醫(yī)學(xué)研究帶來了新的希望。
光聲超聲成像技術(shù)不僅能夠提供高分辨率的圖像，還能實現(xiàn)對生物體內(nèi)深層組織的無損檢測。這一技術(shù)的核心在于利用超聲波激發(fā)樣品產(chǎn)生光聲信號，再通過檢測這些信號重建出樣品的光學(xué)吸收分布圖像。其獨特的優(yōu)勢在于既能保留光學(xué)成像的高對比度，又能克服光學(xué)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(shù)在腫瘤早期診斷、心血管疾病監(jiān)測、神經(jīng)科學(xué)研究等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，有望為臨床醫(yī)學(xué)帶來革命性的變化。
研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
傳統(tǒng)成像技術(shù)的局限
光學(xué)成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)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(jié)構(gòu)圖像，但存在輻射風(fēng)險，不利于多次檢查和長期監(jiān)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(shè)備昂貴、操作復(fù)雜，且成像速度較慢，難以實時監(jiān)測快速變化的生物過程。
如何融合不同成像模式的優(yōu)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(shù)應(yīng)運而生，它利用超聲波激發(fā)樣品產(chǎn)生光聲信號，再通過檢測這些信號重建出樣品的光學(xué)吸收分布圖像，從而實現(xiàn)深部組織的高分辨率成像。光聲效應(yīng)是指在超聲波作用下，樣品吸收光能并轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致樣品體積迅速膨脹，產(chǎn)生壓力波，即光聲信號。這些信號攜帶了樣品的光學(xué)吸收信息，通過檢測和分析光聲信號，可以重建出樣品內(nèi)部的光學(xué)吸收分布圖像。
技術(shù)瓶頸與突破需求
然而，早期的光聲成像技術(shù)也面臨諸多挑戰(zhàn)。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(guān)鍵問題。生物組織的異質(zhì)性和復(fù)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(zhì)量。另一方面，實現(xiàn)快速、實時的成像能力對于動態(tài)生物過程的捕捉至關(guān)重要。許多生物過程如血液流動、神經(jīng)信號傳導(dǎo)等都在快速變化，傳統(tǒng)的光聲成像技術(shù)難以滿足實時監(jiān)測的需求。此外，光聲成像信號的穩(wěn)定性和可重復(fù)性也是需要解決的技術(shù)難題，以確保成像結(jié)果的可靠性和臨床應(yīng)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(shù)，力求提升光聲超聲成像的性能，拓展其在生物醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用范圍。
技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
突破傳統(tǒng)成像局限
在眾多研究團隊的努力下，光聲超聲成像技術(shù)取得了顯著的創(chuàng)新成果，極大地拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。例如，在腫瘤成像方面，研究人員通過設(shè)計特殊的造影劑，實現(xiàn)了對腫瘤標(biāo)志物的靶向檢測，提高了腫瘤診斷的準(zhǔn)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(fā)現(xiàn)和治療監(jiān)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(jié)合，光聲超聲成像可以特異性地標(biāo)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(lǐng)域的應(yīng)用也顯示出巨大潛力。它可以實時監(jiān)測血管內(nèi)皮細胞的功能狀態(tài)、檢測動脈粥樣硬化斑塊的成分和穩(wěn)定性，為心血管疾病的早期干預(yù)和治療方案評估提供了重要依據(jù)。光聲超聲成像能夠檢測血管內(nèi)皮細胞的早期病變，如內(nèi)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(fā)展過程中起著關(guān)鍵作用。此外，光聲超聲成像還可以評估斑塊的穩(wěn)定性，預(yù)測心血管事件的發(fā)生風(fēng)險。在神經(jīng)成像領(lǐng)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(jiān)測大腦的血流變化、血氧水平和神經(jīng)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(fā)作的機制、評估腦損傷的程度以及監(jiān)測神經(jīng)退行性疾病的進展。在藥物研發(fā)方面，光聲超聲成像可以實時跟蹤藥物在體內(nèi)的分布和代謝過程，為藥物療效評估和優(yōu)化藥物設(shè)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(jié)合，觀察藥物在體內(nèi)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(yōu)化藥物的治療方案。
成像實驗與結(jié)果分析
體外實驗驗證
研究人員通過一系列精心設(shè)計的實驗，驗證了光聲超聲成像技術(shù)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(yōu)化，找到能夠產(chǎn)生強光聲信號的納米粒子。這些納米粒子在超聲波的激發(fā)下發(fā)出光聲信號，研究人員利用高精度的檢測設(shè)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(jié)果顯示，光聲超聲成像能夠有效區(qū)分不同類型的細胞和組織，為后續(xù)的體內(nèi)實驗奠定了基礎(chǔ)。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(tǒng)進行成像。結(jié)果顯示，腫瘤細胞在光聲圖像中呈現(xiàn)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(nèi)實驗中，研究人員將光聲超聲成像技術(shù)應(yīng)用于動物模型，觀察其在活體內(nèi)的成像效果。實驗發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)能夠穿透數(shù)厘米厚的生物組織，清晰地顯示出深層組織的結(jié)構(gòu)和功能信息。例如，在腫瘤模型中，光聲超聲成像能夠?qū)崟r監(jiān)測腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移情況，為評估治療效果提供了直觀的依據(jù)。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(tǒng)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(zhuǎn)移過程。此外，光聲超聲成像在心血管疾病模型中的應(yīng)用也取得了顯著成果，成功捕捉到血管內(nèi)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(zhì)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(yōu)勢凸顯
通過與傳統(tǒng)成像技術(shù)的對比分析，光聲超聲成像的優(yōu)勢更加凸顯。與光學(xué)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(tǒng)光學(xué)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(xué)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(shè)備相對簡單、成本較低、操作便捷，且無輻射風(fēng)險，更適合于臨床的廣泛應(yīng)用和長期監(jiān)測。例如，在腫瘤成像方面，光聲超聲成像能夠在早期發(fā)現(xiàn)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(jù)。在心血管疾病監(jiān)測中，光聲超聲成像可以實時評估血管內(nèi)皮功能、檢測動脈粥樣硬化斑塊的成分和穩(wěn)定性，有助于早期干預(yù)和預(yù)防心血管事件的發(fā)生。
總結(jié)與展望
光聲超聲成像技術(shù)作為一種新興的生物醫(yī)學(xué)成像手段，憑借其獨特的優(yōu)勢和廣泛的臨床應(yīng)用前景，正逐漸成為生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的焦點。通過不斷的技術(shù)創(chuàng)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(jiān)測、神經(jīng)科學(xué)研究等方面展現(xiàn)出了巨大的潛力。該技術(shù)克服了傳統(tǒng)光學(xué)成像在組織穿透深度上的限制，同時提供了比常規(guī)超聲成像更高的對比度和特異性，為生物醫(yī)學(xué)研究和臨床實踐帶來了新的機遇。
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)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.
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