活體動(dòng)物全身光聲快速成像技術(shù)的應(yīng)用及進(jìn)展

在當(dāng)今生物醫(yī)學(xué)研究的蓬勃發(fā)展浪潮中，深入探究生物體內(nèi)復(fù)雜的生理病理過程始終是科研人員不懈奮斗的核心目標(biāo)。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵路徑之一，便是借助先進(jìn)的成像技術(shù)來精準(zhǔn)捕捉生物體內(nèi)的細(xì)微變化。傳統(tǒng)的成像模態(tài)，如X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（X-ray CT）、磁共振成像（MRI）、正電子發(fā)射斷層掃描（PET）以及光學(xué)成像等，在長(zhǎng)期的研究實(shí)踐中都發(fā)揮了重要作用，但也各自存在著難以突破的瓶頸。

韓國浦項(xiàng)科技大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)在PACT技術(shù)領(lǐng)域取得的創(chuàng)新性研究成果：連續(xù)旋轉(zhuǎn)掃描PACT系統(tǒng)。該系統(tǒng)在小動(dòng)物全身生物動(dòng)力學(xué)成像方面展現(xiàn)出了令人矚目的卓越性能，為生物醫(yī)學(xué)研究提供了一把強(qiáng)大而鋒利的工具。

研究背景
一、傳統(tǒng)成像模態(tài)
1.X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（X-ray CT）
X-ray CT憑借其高空間分辨率，能清晰呈現(xiàn)生物體的解剖結(jié)構(gòu)，但輻射問題猶如高懸的達(dá)摩克利斯之劍。小動(dòng)物對(duì)輻射更為敏感，過量輻射可能引發(fā)基因突變等不良后果，這使得研究人員在使用X-ray CT時(shí)不得不小心翼翼地控制劑量，極大地限制了其應(yīng)用場(chǎng)景。

2.磁共振成像（MRI）
MRI以出色的組織對(duì)比度和獲取功能信息的能力而聞名，可其高昂的設(shè)備成本和相對(duì)較低的時(shí)間分辨率，成為了大規(guī)模動(dòng)態(tài)研究的絆腳石。在研究諸如心臟快速跳動(dòng)或神經(jīng)信號(hào)瞬間傳遞等快速動(dòng)態(tài)過程時(shí)，MRI往往難以捕捉到關(guān)鍵的瞬間變化，使我們對(duì)這些生理機(jī)制的理解停留在表面。

3.正電子發(fā)射斷層掃描（PET）
PET利用放射性示蹤劑量化生理過程，然而放射性暴露的風(fēng)險(xiǎn)以及示蹤劑開發(fā)的重重困難，使其應(yīng)用如履薄冰。示蹤劑的研發(fā)需要耗費(fèi)大量的時(shí)間、精力和資金，且其安全性始終是研究人員心頭的隱憂。

4.光學(xué)成像
光學(xué)成像中的熒光成像在功能和分子對(duì)比方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但空間分辨率差和組織穿透深度有限的問題，使其在觀察深層組織和微小結(jié)構(gòu)時(shí)力不從心。在活體動(dòng)物體內(nèi)，光線的散射和吸收嚴(yán)重影響成像效果，讓研究人員難以窺探到深層器官的奧秘。

成像結(jié)果
一、小鼠體內(nèi)成像的驚人發(fā)現(xiàn)
1.靜態(tài)全身成像的清晰呈現(xiàn)
在900nm波長(zhǎng)的步進(jìn)掃描中，小鼠的身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)在PACT圖像中展露無遺。皮膚下約10mm深度內(nèi)，心臟、肝臟、腸道等主要器官和復(fù)雜的血管系統(tǒng)清晰可辨，即使是肺、胃等深部器官也能被精準(zhǔn)定位，為研究小鼠的解剖結(jié)構(gòu)提供了詳盡的資料。當(dāng)切換到連續(xù)掃描模式時(shí)，盡管該模式僅利用了256個(gè)換能器元件（相比步進(jìn)掃描的512個(gè)元件有所減少），但所生成的圖像質(zhì)量依然令人驚嘆。與步進(jìn)掃描模式的圖像相比，連續(xù)掃描圖像在整體上能夠保持對(duì)主要器官結(jié)構(gòu)的清晰呈現(xiàn)。雖然在小血管的可視化方面，連續(xù)掃描圖像出現(xiàn)了一些輕微的模糊，就像照片中的一些細(xì)節(jié)稍微有些失焦，但這并不影響對(duì)主要器官的觀察和分析。

為了進(jìn)一步量化兩種掃描模式的差異，研究人員進(jìn)行了一系列嚴(yán)謹(jǐn)而細(xì)致的實(shí)驗(yàn)：在一項(xiàng)微球定位實(shí)驗(yàn)中，將微球放置在掃描層的中心位置，然后分別使用兩種掃描模式對(duì)其進(jìn)行成像，并沿著三個(gè)坐標(biāo)軸對(duì)空間分辨率進(jìn)行評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，連續(xù)掃描模式下的空間分辨率雖然略有下降，但這種下降在可接受的范圍內(nèi)，并且與掃描速度并無直接關(guān)聯(lián)。這一發(fā)現(xiàn)充分證明了連續(xù)掃描模式在保持較高成像質(zhì)量的同時(shí)，顯著提高了成像速度。

2.動(dòng)態(tài)藥代動(dòng)力學(xué)成像的精準(zhǔn)追蹤
研究團(tuán)隊(duì)開展了ICG分布監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)：造影劑靜脈注射后，通過連續(xù)掃描監(jiān)測(cè)其在小鼠體內(nèi)的行蹤。注射后不久，淺表血管中的信號(hào)迅速增強(qiáng)，隨后在18秒時(shí)肝臟和脾臟開始出現(xiàn)ICG積累跡象，90秒后更加明顯，6分鐘時(shí)大量積累。對(duì)不同區(qū)域PA信號(hào)的量化分析顯示，血管、脊柱、肝臟和脾臟等部位的信號(hào)變化各具特點(diǎn)，達(dá)峰時(shí)間也有所不同，清晰地展示了 ICG在體內(nèi)的代謝路徑和器官攝取差異，為藥物代謝研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證PACT系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性，研究人員還采用了熒光成像技術(shù)進(jìn)行對(duì)比研究。在對(duì)肝臟和腫瘤區(qū)域的熒光與PA信號(hào)比值進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，兩者之間無顯著差異（在統(tǒng)計(jì)學(xué)上具有相似的均值和標(biāo)準(zhǔn)差），這充分證明了PACT系統(tǒng)在疾病模型中監(jiān)測(cè)藥代動(dòng)力學(xué)的準(zhǔn)確性和可靠性，為其在腫瘤研究和臨床前藥物研發(fā)中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.動(dòng)態(tài)功能氧飽和度成像的創(chuàng)新突破
在氧挑戰(zhàn)測(cè)試中，利用750nm和850nm波長(zhǎng)對(duì)選定成像層面進(jìn)行采集，成功獲取了多平面的圖像。當(dāng)氧氣濃度變化時(shí)，小鼠軀干的水平在圖像中直觀地呈現(xiàn)出相應(yīng)改變，從高氧到低氧再到恢復(fù)高氧，顏色的變化清晰地反映了氧飽和度的動(dòng)態(tài)過程。與傳統(tǒng)光柵掃描系統(tǒng)不同，新系統(tǒng)的3D成像能力涵蓋多個(gè)器官和血管，9秒的時(shí)間分辨率能從各個(gè)成像平面獲取功能信息，可精確分辨不同結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，肋骨、肝臟、脊柱、脾臟和血管等在氧挑戰(zhàn)不同階段水平變化顯著，而脾臟因其特殊的生理功能在恢復(fù)過程中表現(xiàn)出獨(dú)特的變化規(guī)律，這一成果為氧代謝研究提供了前所未有的深度和精度。

結(jié)論與展望
連續(xù)旋轉(zhuǎn)掃描方法借助半球形換能器陣列，實(shí)現(xiàn)了短時(shí)間內(nèi)高分辨率的全身成像，極大地提高了成像速度，相比傳統(tǒng)技術(shù)是一次重大飛躍。上采樣重建方法和光通量補(bǔ)償技術(shù)確保了連續(xù)掃描的圖像質(zhì)量，使內(nèi)部器官的觀察更加清晰，為深入研究提供了有力支持。在藥代動(dòng)力學(xué)和氧合動(dòng)力學(xué)研究方面，該系統(tǒng)的連續(xù)掃描模式表現(xiàn)卓越，能夠精準(zhǔn)捕捉造影劑動(dòng)態(tài)和氧飽和度變化，為藥物研發(fā)和生理機(jī)制研究提供了關(guān)鍵的動(dòng)態(tài)信息和器官灌注特性數(shù)據(jù)，有力地推動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

綜上所述，這項(xiàng)研究成果為小動(dòng)物生物動(dòng)力學(xué)研究提供了強(qiáng)大的工具，在臨床前研究領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力，有望為生物醫(yī)學(xué)研究帶來新的突破和變革，激勵(lì)著科研人員不斷前行，進(jìn)一步挖掘其價(jià)值，為人類健康事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。文章來源于：Jinge Yang, Seongwook Choi, Jiwoong Kim, Jihye Lee, Won Jong Kim, Chulhong Kim,Multiplane Spectroscopic Whole-Body Photoacoustic Computed Tomography of Small Animals In Vivo,First published: 07 October 2024,https://doi.org/10.1002/lpor.202400672.