Nature 子刊 | 湖南大学宋国胜、张晓兵和谭蔚泓院士在生物医学成像技术上取得重要突破
FUTURE | 远见 闵青云 选编
分子成像技术用于可视化和定量分子和细胞生物过程，进行疾病的检测、诊断、预测和监测。然而，依赖实时光激发的荧光成像往往受到组织自发荧光的影响，降低了活体组织成像灵敏性和特异性，生物发光或化学发光信号则往往受到活体中酶微环境或底物分布的影响。超声成像技术在医学临床诊断中被广泛使用，它通过超声波的传输、反射和散射原理，映射出人体内部结构的图像。声致发光是一种在高强度超声作用下，液体空化而产生的微弱发光现象，然而，其发光效率低、发光强度弱、超声暴露时间长，发光寿命极短。
近日，针对光学成像领域发展过程中存在的上述问题，湖南大学化工院宋国胜教授、张晓兵教授和谭蔚泓院士团队成功开发出一种创新的「超声发光分子成像」技术，利用超声波激发荧光分子在活体内产生光学信号，实现了高强度的光学信号输出的成像新方法，为生物医学成像技术的发展开辟了新的可能性。
相关研究成果以「In vivo ultrasound-induced luminescence molecular imaging」为题发表在国际顶级期刊《自然-光子学》（Nature Photonics）上。文章的通讯作者是湖南大学宋国胜教授、张晓兵教授和谭蔚泓院士。第一作者是王友娟博士（湖南大学博士、现杭州医学研究所博士后）。
研究团队开发了「超声发光分子成像」新技术，通过两步内部能量转换过程，实现了更强的在活体内的超声诱导发光成像。该工作同时开发了两种成像模式和装置来采集超声激发分子发光的信号：在超声激发停止后采集光子信号的延迟成像模式和在超声激发期间采集光子信号的实时成像模式。随后，研究团队展示了该技术对皮下和原位脑肿瘤、原位胰腺癌、腹膜转移肿瘤和淋巴结进行体内成像的可行性。
图1、延迟超声激发分子发光成像模式(左)和实时超声激发分子发光成像模式(右)实验装置示意图。
研究结果显示，超声诱导荧光的强度超过了声致发光，同时还展现出更好的信噪比、成像灵敏度和成像深度。相较于传统的水的声致发光信号，该工作开发的超声激发发光分子在发光强度上提高了2000余倍；与荧光成像相比，超声激发发光成像由于超声信号和光学信号发射之间不存在信号串扰，信噪比提高了10倍，同时具备1.46毫米的空间分辨率和高达2.2厘米的组织穿透深度。
图2、（a）延迟超声激发分子发光成像模式下各个纳米粒子的发光图。（b）延迟超声激发分子发光成像模式和（c）实时超声激发分子发光成像模式下的纳米粒子发光强度定量图。
研究团队还提出了一种酶活化的超声发光探针设计，通过不同酶可切割的肽序列作为连接剂，实现了对酶动态活动的成像。这种技术为定制各种酶响应型超声诱导发光探针提供了一个多功能平台，为生物医学研究和临床诊断带来了新的可能性。
图3、酶响应的超声激发分子发光探针检测示意图。
与现有的X射线激活发光、生物发光或Cerenkov发光等技术相比，声光分子成像技术具有无辐射、操作简便、安全等特点。未来，超声发光分子成像技术与医学超声成像的高级集成，将在无背景噪声条件下提供更全面的疾病信息，并在分子层面上揭示病理过程，极大提高超声分子成像的灵敏度和准确性。在活体组织病理学研究、早期肿瘤检测、生物分子分析、癌症治疗监测、心肌缺血成像、肠道炎症活动成像及动脉硬化评估等方面，超声发光成像将得到广泛应用。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41566-024-01387-1
–湖南大学
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