光聲定位超分辨率成像技術(shù)用于同步測量血流速度及血氧飽和度

該研究由Xosé Luis Deán-Ben、Justine Robin、Daniil Nozdriukhin、Ruiqing Ni、Jim Zhao、Chain Glück、Jeanne Droux、Juan Sendon-Lago、Zhenyue Chen、Quanyu Zhou、Bruno Weber、Susanne Wegener、Anxo Vidal、Michael Arand、Mohamad El Amki和Daniel Razansky共同完成，發(fā)表在《Nature Communications》。

重要發(fā)現(xiàn)
01微滴設(shè)計與單粒子探測機制
為實現(xiàn)深層組織中單顆粒級別的高對比度探測，研究團隊設(shè)計了一種直徑約5 μm、以二氯甲烷（DCM）為基底的微滴，其內(nèi)部包裹高濃度IR-780染料（約200 mM）。該微滴在780 nm波長處的光吸收強度比紅細胞高出3–4個數(shù)量級，從而能夠在高背景吸收下仍被清晰識別。微滴尺寸小于小鼠紅細胞直徑，具有良好的生物相容性和血液流動性，避免了毛細血管阻塞風險。

04多參數(shù)功能成像能力
研究還展示了LOT技術(shù)在血流速度測繪與光通量分布估計方面的優(yōu)勢。通過微滴追蹤得到的血流速度圖顯示，大腦主要動脈中的流速可達數(shù) cm/s，而小血管中流速低于5 mm/s，符合泊肅葉流動特性。此外，利用微滴信號強度與局部光通量的線性關(guān)系，研究者還實現(xiàn)了腦深部光通量的分布映射，為后續(xù)血氧定量分析提供重要校正基礎(chǔ)。

05中風模型中的多尺度多參數(shù)觀察
在急性缺血性中風小鼠模型中，LOT結(jié)合光譜光聲成像揭示了中風側(cè)與健康側(cè)大腦半球在多方面的顯著差異：包括微血管密度下降、血流速度減緩以及血氧飽和度降低。這些參數(shù)的同時獲取彰顯了LOT技術(shù)在疾病機制研究中的巨大潛力，也為治療效果評估提供了多維度指標。

創(chuàng)新與亮點
01突破傳統(tǒng)成像限制
傳統(tǒng)光聲成像因紅細胞的高吸收背景難以在深層組織中實現(xiàn)微血管級別分辨率，而LOT技術(shù)通過引入高吸收微滴作為對比劑，有效打破了這一限制。其單顆粒探測能力使得在活體環(huán)境下實現(xiàn)20 μm分辨率、毫米級深度的微血管成像成為可能。

02三維高速成像與多參數(shù)融合
該技術(shù)具備100 Hz體積成像速率與單次激發(fā)全體積采集能力，不僅能解析血管結(jié)構(gòu)，還能同步獲取血流動力學與氧代謝功能信息，實現(xiàn)了真正意義上的“結(jié)構(gòu)-功能-代謝”多參數(shù)一體化成像。

03生物安全性高，具臨床轉(zhuǎn)化潛力
所使用的二氯甲烷微滴尺寸與FDA已批準的超聲微泡相當，生物安全性高，毛細血管阻塞率低于1%，且不影響正常血流。微滴內(nèi)包裹的IR-780染料與臨床常用造影劑ICG吸收特性相近，進一步推動了該技術(shù)向臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。

總結(jié)與展望
本研究通過開發(fā)高吸收微滴與定位光聲成像技術(shù)相結(jié)合的策略，成功實現(xiàn)了小鼠腦部微血管網(wǎng)絡(luò)的三維超分辨率成像及多參數(shù)功能評估，突破了傳統(tǒng)光聲成像在深度與分辨率方面的瓶頸。該技術(shù)不僅在缺血性中風模型中展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用價值，還有望廣泛應(yīng)用于腫瘤血管生成、神經(jīng)血管耦合、腦血管疾病等多個研究領(lǐng)域。其兼具的高分辨率、深度穿透能力與多功能成像特性，為生命科學研究和臨床前診斷提供了強大工具。未來，通過進一步優(yōu)化微滴制劑與成像算法，LOT技術(shù)有望推動光聲成像在臨床中的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)對人體微循環(huán)系統(tǒng)的無創(chuàng)、精準、動態(tài)評估。

DOI:10.1038/s41467-023-39069-1.