多光譜光聲斷層掃描成像：開創(chuàng)醫(yī)學(xué)影像的新篇章

多光譜光聲斷層掃描成像（MSPAT）是一項革命性的成像技術(shù)，結(jié)合了光學(xué)和超聲波的優(yōu)勢，能夠提供高分辨率的圖像，且具有較高的深度穿透能力。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，MSPAT在醫(yī)學(xué)成像、癌癥檢測、腦部研究等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用潛力。本篇文章將深入探討多光譜光聲斷層掃描成像的原理、優(yōu)勢及其在臨床診斷中的應(yīng)用。

光聲效應(yīng)與成像原理

多光譜光聲斷層掃描成像的核心原理是基于光聲效應(yīng)。當(dāng)激光光源照射到組織中時，組織中的水分和血紅蛋白會吸收特定波長的光，導(dǎo)致局部溫度升高并產(chǎn)生快速的熱膨脹。這個過程會激發(fā)聲波的產(chǎn)生，聲波的強度和頻率可以通過超聲探頭進行探測，從而反映出組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分。

多光譜光聲斷層掃描成像之所以能稱為“多光譜”，是因為它使用了不同波長的激光源，從而可以獲得組織的不同光學(xué)特性。這種技術(shù)的優(yōu)勢在于，它能夠獲取更豐富的組織信息，識別不同的組織成分，如血管、腫瘤以及其他病變區(qū)域。

多光譜光聲斷層掃描成像的優(yōu)勢

相比傳統(tǒng)的成像技術(shù)，如CT（計算機斷層掃描）和MRI（磁共振成像），多光譜光聲斷層掃描成像具有獨特的優(yōu)勢。MSPAT能夠以較高的分辨率提供結(jié)構(gòu)性圖像，這在微小病變的早期發(fā)現(xiàn)上至關(guān)重要。尤其是在腫瘤檢測方面，MSPAT能有效區(qū)分腫瘤組織和健康組織，有助于提高腫瘤早期篩查的準(zhǔn)確性。

MSPAT能夠在不使用放射線的情況下，獲得豐富的血管信息。傳統(tǒng)的成像技術(shù)需要注射對比劑來突出血管的顯現(xiàn)，而MSPAT則通過不同波長的激光照射，可以無創(chuàng)性地提供關(guān)于血管的詳細(xì)信息，且能夠深入體內(nèi)組織層次，幫助醫(yī)生更好地評估腫瘤的血供狀況或病變的演變過程。

臨床應(yīng)用前景

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，MSPAT已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，尤其在腫瘤檢測和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷中。通過對腫瘤組織的精確成像，醫(yī)生可以更加準(zhǔn)確地評估腫瘤的大小、位置以及血供情況，從而為方案的制定提供重要依據(jù)。MSPAT也在腦血管病變、腦部腫瘤等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究中，幫助醫(yī)生獲取更加直觀的病變圖像，輔助早期診斷和治果評估。

未來，隨著技術(shù)的不斷進步，MSPAT的應(yīng)用范圍將進一步擴展。尤其是與人工智能結(jié)合的進展，MSPAT的圖像分析將更加，能夠幫助醫(yī)生在極短的時間內(nèi)做出更加科學(xué)的診斷決策，極大地提高醫(yī)率和診斷準(zhǔn)確率。

結(jié)論

多光譜光聲斷層掃描成像作為一項創(chuàng)新的成像技術(shù)，憑借其高分辨率、無創(chuàng)性和多波長成像的優(yōu)勢，正在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域中占據(jù)越來越重要的地位。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，MSPAT將在腫瘤篩查、腦部疾病診斷等方面展現(xiàn)出更加廣泛的應(yīng)用潛力，并有望成為未來醫(yī)學(xué)影像的主流技術(shù)之一。

什么是斷層掃描成像

斷層掃描成像（Tomography Imaging）是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和科學(xué)研究中廣泛應(yīng)用的一項先進成像技術(shù)。它通過特殊的儀器設(shè)備，利用多角度的圖像數(shù)據(jù)來創(chuàng)建物體或人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)斷層圖像。與傳統(tǒng)的二維X光成像不同，斷層掃描可以提供多維度、多層次的信息，使醫(yī)生、研究人員能夠更精確地診斷病情、觀察結(jié)構(gòu)變化。本文將詳細(xì)探討斷層掃描成像的工作原理、應(yīng)用領(lǐng)域及其重要性。

斷層掃描成像的基本原理是通過獲取不同角度的二維圖像，再通過計算機技術(shù)將這些圖像合成一幅高分辨率的三維圖像。這一過程的核心是通過X射線、超聲波、磁場等物理手段，獲取物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，進而生成可供分析的圖像。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，斷層掃描技術(shù)如CT（計算機斷層掃描）和MRI（磁共振成像）已經(jīng)成為診斷疾病的重要工具。通過斷層掃描成像，醫(yī)生可以更清晰地查看患者體內(nèi)的組織、器官和骨骼的細(xì)節(jié)，進而判斷疾病的類型和發(fā)展程度。

CT掃描利用X射線通過人體不同的角度進行掃描，進而通過計算機處理，將所有掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成斷層圖像。CT掃描具有較高的分辨率，可以有效地顯示體內(nèi)的各種異常情況，如腫瘤、出血、骨折等。與傳統(tǒng)的X光檢查相比，CT掃描能夠提供更為精確和詳細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，使醫(yī)生能夠及時發(fā)現(xiàn)潛在的病變，指導(dǎo)方案的制定。

與CT不同，MRI掃描不依賴X射線，而是使用強大的磁場和無線電波來生成體內(nèi)組織的圖像。MRI成像特別適用于軟組織的檢測，如大腦、脊髓、關(guān)節(jié)和肌肉等。由于其無輻射的特性，MRI被廣泛應(yīng)用于孕婦和兒童的檢查。通過高分辨率的影像，醫(yī)生可以對腦部疾病、心臟病、癌癥等疾病進行更精確的診斷。

除了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，斷層掃描成像技術(shù)也在工業(yè)和材料科學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用。它被用于檢測材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、發(fā)現(xiàn)裂紋或缺陷，確保產(chǎn)品質(zhì)量和安全性。例如，在航空、汽車制造等領(lǐng)域，斷層掃描成像技術(shù)被用來檢查零部件的完整性，預(yù)防潛在的故障和安全隱患。

斷層掃描成像不僅僅局限于醫(yī)學(xué)或工業(yè)領(lǐng)域，其應(yīng)用還擴展到地質(zhì)勘探、環(huán)境監(jiān)測等多個行業(yè)。通過利用各種成像技術(shù)，科學(xué)家可以更好地研究地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、氣候變化等問題。這種跨行業(yè)的應(yīng)用為斷層掃描成像技術(shù)的進一步發(fā)展提供了廣闊的空間。

總體來說，斷層掃描成像技術(shù)的進步極大推動了醫(yī)學(xué)影像學(xué)的發(fā)展，它不僅提高了疾病的診斷準(zhǔn)確性，也為方案的制定提供了科學(xué)依據(jù)。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，斷層掃描成像的分辨率和成像速度將持續(xù)提高，從而為各個行業(yè)提供更加和高效的技術(shù)支持。作為未來發(fā)展的一個重要方向，斷層掃描成像將在更多領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，為人類健康和社會發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。

在生物成像和光診療學(xué)領(lǐng)域，通過對材料的結(jié)構(gòu)調(diào)整以控制其光學(xué)性質(zhì)是探索新材料，發(fā)現(xiàn)新應(yīng)用的重要且常見方式。貴金屬就是其中較為主要的一類原料，但通常的貴金屬材料存在兩個明顯缺點：一、激發(fā)波長通常落在可見光和近紅外一區(qū)（NIR-I，700 – 1000 nm），這使得成像的深度降低，同時無法與組織發(fā)生明顯的作用；二、該類材料通常不具備激活功能（即始終在線，Always-on），使得難以從成像中分辨目標(biāo)和其他無關(guān)組織，同時可能會存在未知副反應(yīng)。

在這樣的背景下，作者Chunyu Zhou等人將目標(biāo)放在更高信噪比、更大成像深度的近紅外二區(qū)（NIR-II，1000 – 1700 nm），開發(fā)能夠?qū)δ[瘤微環(huán)境進行響應(yīng)的貴金屬納米材料。該材料以金納米粒子（Gold nanoparticles，AuNPs）為主體（見圖1），在乙醇和水的混合體系中使其形成納米鏈（Nanochain）。之后引入Tetraethyl orthosilicate，（TEOS），水解后包裹金納米鏈，形成核鞘結(jié)構(gòu)（Core-sheath nanostructure，AuNCs@SiO2）。注射至小鼠體內(nèi)后，因腫瘤微環(huán)境（Tumor microenvironment，TME）中高H2O2水平觸發(fā)鄰近金納米顆粒在AuNCs@SiO2的有限局部空間內(nèi)融合，從而產(chǎn)生了具有強NIR-II吸收的串狀結(jié)構(gòu)。

圖1：AuNCs@SiO2作用示意圖

因AuNCs@SiO2具有TME激活特性，因此不容易受其他組織的影響，表現(xiàn)出優(yōu)異的光聲成像性能（圖2）。

圖2：正常組織與腫瘤組織的超聲、光聲成像對比

同時，AuNCs@SiO2在1064 nm處光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)82.2%（圖3），可導(dǎo)致癌細(xì)胞嚴(yán)重死亡，顯著抑制腫瘤生長（圖4、5、6）。

圖3：AuNCs@SiO2與其他已報道的光熱治療試劑的轉(zhuǎn)換效率對比：1) AuNCs@SiO2; 2) Au3Cu@PEG TPNCs; 3) Au-wires-on-AuNR; 4) Pt Spiral; 5) Cu2MnS2 NPs; 6) Nb2C (Mxene); 7) Cu3BiS3 NRs; 8) L-Pdots; 9) TBDOPV-DT NPs; 10) SPN-DT

圖4：注射PBS和AuNCs@SiO2的荷4T1瘤小鼠光熱紅外熱成像（1064 nm NIR-II激光，0.5 W/cm2）

圖5：注射PBS和AuNCs@SiO2后，腫瘤部位溫度與照射時長的變化趨勢

圖6：接受相應(yīng)治療后的小鼠腫瘤大小對比（I：PBS；II：AuNCs@SiO2；III：PBS+Laser；IV：AuNCs@SiO2+Laser）

總結(jié)：作者成功合成出具有TME響應(yīng)的、同時具有光聲成像和光熱治療功能的二氧化硅包裹自組裝金納米鏈。通過TME中高濃度H2O2水，使金納米粒子表面檸檬酸氧化，進而脫離納米粒子表面，導(dǎo)致金納米粒子融合，產(chǎn)生強NIR-II吸收。這一新型材料或許能夠為準(zhǔn)確非侵入性診療打開新的大門。

美國PhotoSound 小動物3D光聲/熒光成像系統(tǒng) (PAFT)

美國PhotoSound小動物全身3D光聲/熒光成像系統(tǒng)(PAFT)為小動物活體成像和表征提供了完整的解決方案。該系統(tǒng)集成了三種互補的三維成像模式：光聲成像(PAT)、熒光成像(FMT)、生物發(fā)光成像(BLT)，可同時實現(xiàn)小動物的3D光聲、3D熒光和3D生物發(fā)光成像,該系統(tǒng)可為生物組織提供高分辨率、高對比的解剖學(xué)成像效果。

可實現(xiàn)近紅外一區(qū)和近紅外二區(qū)（670-2600 nm）小鼠全身3D光聲/熒光成像系統(tǒng)，采用OPO可調(diào)式激光器，提供670-2600 nm連續(xù)脈沖激光、完全3D光聲成像(具有100 um等向分辨率的完全三維成像，非切片疊加成像)、高通量 (256個電子通道)、靈敏度高(60 nM ICG )、桌面式設(shè)計，方便使用、成像速度快 (完成一次3D掃描需30秒)。

往期回顧

● 美國PhotoSound小動物全身3D光聲/熒光成像系統(tǒng)

● 小鼠解剖應(yīng)用筆記 —— 美國PhotoSound小動物全身3D光聲/熒光成像系統(tǒng)

● 光聲成像應(yīng)用 | 探尋動脈粥樣硬化斑塊

背景

慢性腎病，以其高發(fā)生率和強大的潛伏性，已越來越成為一種常見的疾病。如果能夠及時地檢測到該疾病的發(fā)生進程，將大大改善后續(xù)的醫(yī)療成效。在眾多病理特征中，腎小管間質(zhì)纖維化（Tubulointerstitial fibrosis）作為眾多腎臟疾病發(fā)展進程中的常見中間體，是反映腎臟狀態(tài)的重要指標(biāo)。目前，臨床方法仍然只能做到減緩病程，并不能阻止或者扭轉(zhuǎn)疾病對于組織的破壞。因此，醫(yī)療和科研工作人員將注意力放在了疾病的早期階段——如果能在該階段確定病變，則有更大的幾率阻止疾病惡化。

研究思路

在此背景下，Dingyuan等人嘗試對腎小管間質(zhì)纖維化進行實時檢測。傳統(tǒng)的方法使用的腎活組織切片（Kidney biopsy）容易導(dǎo)致大量出血，因而作者更偏向于非接觸式檢測。而在該領(lǐng)域，通常選用CT、核磁共振等方式，但這些方式輻射風(fēng)險相對較大，因此作者選擇了光聲/熒光成像方式。而在顯影劑的選擇上，相對于無機材料，有機材料具有更好的生物降解能力、純度以及聚集誘導(dǎo)發(fā)光效應(yīng)（Aggregation-induced emission, AIE）——一種在溶液中分散時幾乎不發(fā)光，但在聚集狀態(tài)時發(fā)光大大增強的現(xiàn)象——因而被作者看中。同時，現(xiàn)有的大部分具有AIE的光聲顯影劑為疏水性材料，不利于均勻分散和體內(nèi)代謝，因此作者開發(fā)了一款水溶性AIE腎小管間質(zhì)纖維化檢測顯影劑。

顯影劑設(shè)計及表征

作者首先獲得的是AIE-4COOH分子——一個攜帶4個羧基的具有AIE效應(yīng)的分子。為了增加其水溶性，作者將4個羧基全部PEG化，成為AIE-4PEG550。AIE-4PEG550在DMSO/水體系中溶解良好，并能夠自組裝形成納米粒子（AIE-4PEG550 NPs，圖1）。表征結(jié)果顯示該粒子有以下兩個優(yōu)點：一、粒徑約26 nm，質(zhì)量約3.3 kDa，能夠有效通過腎臟的濾過作用（截留質(zhì)量通常為30-50 kDa）；二、光穩(wěn)定性好：在660 nm波長持續(xù)照射30 min后，僅有微小強度下降，而作為對照的顯影劑ICG則已完全猝滅。在645 nm處具有強吸收峰，而發(fā)射峰則在893 nm。

圖1 AIE-4PEG550納米粒子設(shè)計思路

圖2 AIE-4PEG550 NPs的左）吸收、發(fā)射圖譜；右）粒徑檢測（溶液均為水）

體外和體內(nèi)實驗

體外實驗著眼于該有機分子的生物兼容性。在0 – 100 μg/mL該分子溶液中孵育24 h后，HK-2細(xì)胞（Human kidney -2，人腎皮質(zhì)近曲小管上皮細(xì)胞）的存活率仍在95%以上（圖3）。

圖3 在不同濃度AIE-4PEG550 NPs環(huán)境下孵育的HK-2細(xì)胞存活率

在正常體內(nèi)實驗中，作者同時進行了熒光和光聲成像，相互驗證了該顯影劑主要聚集于腎臟而非肝臟（圖4），隨著時間流逝，腎臟中的含量逐漸降低，膀胱中的含量逐漸增加，表明該顯影劑可由腎臟代謝，并由尿液排出。測得的24 h清除效率為93.1 ± 1.7%（圖5）。

圖4 在注射顯影劑后，腎臟的熒光（A）和光聲（B）、膀胱的熒光（C）和光聲（D）隨時間的成像效果變化。在腎臟中，4 min達(dá)到頂峰，而在膀胱中，60 min達(dá)到頂峰。E和F分別為相應(yīng)的數(shù)值變化柱狀圖

圖5 腎臟清除效率隨注射后時間變化曲線（每只小鼠200 μg劑量，n = 3）

而在腎病模型小鼠上，同樣的劑量表現(xiàn)出截然不同的結(jié)果：直到180 min之前，腎臟中的顯影劑含量一直在增加，說明腎臟代謝功能降低，本該代謝到膀胱的化合物積聚在腎臟中（圖6），這一現(xiàn)象也在相應(yīng)的熒光信號強度上有所驗證（圖7）。通過這種區(qū)別，能夠較為直觀地評估腎臟代謝功能。

圖6 在注射顯影劑后，腎臟的熒光（A）和光聲（B、C）、膀胱的熒光（D）和光聲（E、F）隨時間的成像效果變化。

圖7 腎病模型小鼠注射顯影劑后180 min的熒光信號強度變化（紅：腎臟；藍(lán)：膀胱）

小結(jié)

作者設(shè)計并開發(fā)了一種新型熒光/光聲顯影劑，其優(yōu)點主要有：一、體積小，可通過腎臟過濾；二、腎臟清除效率較高；三、得益于AIE效應(yīng)，成像效果優(yōu)異；四、良好的生物兼容性；五、優(yōu)良的光穩(wěn)定性。在文獻(xiàn)中，作者將其應(yīng)用于非侵入式地診斷腎小管間質(zhì)纖維化情況，祝愿在不久的將來，這項技術(shù)可以用于臨床，幫助醫(yī)生快速診斷腎臟功能，從而幫助患者更好地恢復(fù)。

參考文獻(xiàn)

[1] Yan, D., Li, T., Yang, Y., Niu, N., Wang, D., Ge, J., Wang, L., Zhang, R., Wang, D. and Tang, B.Z. (2022), A Water-soluble AIEgen for Noninvasive Diagnosis of Kidney Fibrosis via SWIR Fluorescence and Photoacoustic Imaging. Adv. Mater.. Accepted Author Manuscript 2206643. https://doi.org/10.1002/adma.202206643