研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
光學(xué)成像的局限性
光學(xué)成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，但其發(fā)展一直受到光學(xué)顯微鏡的衍射極限和光子散射問(wèn)題的限制。衍射極限使得傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的分辨率被限制在幾百納米以?xún)?nèi)，而光子散射則導(dǎo)致成像深度超過(guò)幾百微米后分辨率急劇下降。盡管超分辨成像技術(shù)如STED、RESOLFT、PALM 和STORM等部分突破了衍射極限，但在深層組織成像時(shí)仍難以避免光子散射的影響。

光聲超聲成像的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)
光聲超聲成像技術(shù)通過(guò)檢測(cè)光吸收后產(chǎn)生的超聲波進(jìn)行成像，利用超聲波的傳播特性，受光子散射影響較小，能夠在更深的組織層次實(shí)現(xiàn)高分辨率成像。例如，光聲超聲成像可以通過(guò)測(cè)量血紅蛋白吸收光產(chǎn)生的信號(hào)，詳細(xì)可視化活體內(nèi)的血管結(jié)構(gòu)，并解析血管和組織的血氧飽和度。然而，光聲超聲成像在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)。一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何在復(fù)雜的生物組織背景下，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定細(xì)胞或分子的高對(duì)比度成像。由于大多數(shù)生物靶標(biāo)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)并非主要的光吸收體，現(xiàn)有的光聲造影劑在與組織背景的光吸收競(jìng)爭(zhēng)中面臨困境。

技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
光開(kāi)關(guān)技術(shù)的引入
光開(kāi)關(guān)技術(shù)通過(guò)控制標(biāo)記物與光聲信號(hào)生成相關(guān)的屬性，如吸收系數(shù)、光聲信號(hào)生成效率或分子數(shù)量等，實(shí)現(xiàn)對(duì)光聲信號(hào)的調(diào)制。光開(kāi)關(guān)分子在特定波長(zhǎng)的光照射下可以在兩種不同吸收光譜的狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。通過(guò)交替使用兩種波長(zhǎng)的光脈沖，控制標(biāo)記物在兩種狀態(tài)之間切換，并在光聲成像過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)制信號(hào)。這種時(shí)空調(diào)制的光聲信號(hào)能夠有效區(qū)分標(biāo)記物產(chǎn)生的信號(hào)和背景組織產(chǎn)生的信號(hào)，顯著提高成像的對(duì)比度和靈敏度。

信號(hào)時(shí)間控制的不同機(jī)制的圖示

多路復(fù)用成像與生物傳感
光開(kāi)關(guān)技術(shù)不僅提高了光聲超聲成像的對(duì)比度和靈敏度，還為多路復(fù)用成像提供了可能。由于不同光開(kāi)關(guān)標(biāo)記物具有獨(dú)特的光開(kāi)關(guān)動(dòng)力學(xué)特性，可以通過(guò)識(shí)別這些特性來(lái)區(qū)分多種標(biāo)記物。例如，在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員通過(guò)分析不同光開(kāi)關(guān)蛋白的光開(kāi)關(guān)衰減動(dòng)力學(xué)，成功區(qū)分了三種不同的標(biāo)記物。此外，光聲超聲成像技術(shù)在生物傳感領(lǐng)域也展現(xiàn)出獨(dú)特價(jià)值，例如開(kāi)發(fā)基于光開(kāi)關(guān)蛋白的鈣離子傳感器，監(jiān)測(cè)鈣離子濃度的變化來(lái)研究細(xì)胞的生理活動(dòng)。

成像實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
腫瘤成像實(shí)驗(yàn)
在一項(xiàng)針對(duì)腫瘤成像的研究中，研究人員將表達(dá)光開(kāi)關(guān)蛋白 RpBphP1 的 U87 細(xì)胞植入小鼠體內(nèi)，通過(guò)交替使用 630nm 和 780nm 的脈沖光照射，并利用 512 元環(huán)陣列超聲探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)植入細(xì)胞位置的可視化。即使在 10mm 深度處也能以約 80 的對(duì)比度噪聲比（CNR）檢測(cè)到每體素約 3×103 個(gè)細(xì)胞。這表明光聲超聲成像技術(shù)能夠在較深的組織層次實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤細(xì)胞的高靈敏度檢測(cè)。

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，憑借其高分辨率、深層次成像以及良好的生物相容性等優(yōu)勢(shì)，在生物醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。光開(kāi)關(guān)技術(shù)的引入，為解決光聲成像中的背景信號(hào)干擾問(wèn)題提供了有效的解決方案，顯著提高了成像的對(duì)比度和靈敏度，并拓展了光聲成像的多路復(fù)用能力和生物傳感應(yīng)用。但光聲超聲成像技術(shù)的發(fā)展仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，光開(kāi)關(guān)標(biāo)記物的性能有待進(jìn)一步優(yōu)化，包括提高其光穩(wěn)定性、增強(qiáng)光開(kāi)關(guān)效率、降低毒性等；成像系統(tǒng)的硬件設(shè)備仍需不斷改進(jìn)，以提高成像速度、分辨率和靈敏度；此外，如何將光聲超聲成像技術(shù)更好地與其他成像技術(shù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，也是未來(lái)研究的重要方向。隨著光聲超聲成像技術(shù)的不斷創(chuàng)新和完善，我們有理由相信，它將在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

論文信息
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Stiel AC, Ntziachristos V. Controlling the sound of light: photoswitching optoacoustic imaging. Nat Methods. 2024 Nov;21(11):1996-2007.

DOI:10.1038/s41592-024-02396-2.