近紅外熒光與激光散斑血流成像在腦血管研究的應用
研究背景與技術挑戰
在現代醫學研究中，腦血管疾病的早期診斷和治療一直是備受關注的焦點領域。傳統成像技術如磁共振成像（MRI）、X射線和超聲成像等，在分辨率和功能檢測方面存在一定的局限性。深圳大學團隊的一項前沿研究成果，將近紅外熒光（NIR）和激光散斑血流成像（LSCI）與光學組織透明（OTC）技術相結合，為腦血管成像帶來了新的曙光。
技術創新與應用
雙模式成像系統：近紅外熒光與激光散斑血流成像聯用
該研究構建了一個功能強大的雙模式成像系統，其中808nm激光用于激發熒光成像，1064nm激光則用于激光散斑血流成像（LSCI），而690nm激光則為光動力治療（PDT）開辟了道路。這一系統通過高分辨率、高靈敏度的近紅外熒光成像以及非侵入性的激光散斑成像，實現了對生物結構和功能的精準觀測。為了實現這種雙重成像能力，研究人員精心設計了系統的各個組件，確保每種激光都能在其特定波長下提供穩定且有效的光源，從而最大化成像效果。
納米制劑的應用
為了實現精準的成像引導治療，研究人員合成了一種包含近紅外熒光染料ICG和光敏劑BPD的脂質體納米制劑（LBI）。ICG在808nm激光的激發下發射出強烈的熒光信號，而BPD則在690nm激光照射下激活，產生單線態氧，引發光動力反應，從而對病變血管進行精準打擊。LBI不僅能夠作為成像探針，還能作為一種治療載體，使得研究者能夠在同一實驗中同時完成成像和治療任務，大大提高了實驗效率和準確性。
光學組織透明技術是本研究的關鍵基石之一。研究人員采用了一種由S1（75%乙醇和尿素飽和上清液）、S2（高濃度十二烷基苯磺酸鈉溶液）和S3（紫外線固化膠）組成的獨特方法，成功地在小鼠頭骨上打造了一個持久且高度透明的窗口，極大地提升了成像的深度和清晰度。這一技術不僅解決了生物組織對光的散射和吸收難題，還避免了開顱手術帶來的大腦環境改變和炎癥風險，有利于長時間成像觀察。
典型應用案例
成像互補性的有力驗證
在成像實驗中，熒光成像能夠捕捉到LBI的分布蹤跡，無論是在血管的主干道還是微小的分支血管中，都能清晰地顯示其存在。這使得研究人員可以根據熒光信號的強度和分布范圍，準確地評估血管的體積和濃度情況。而激光散斑血流成像（LSCI）則敏銳地感知到顆粒運動所引起的散斑圖案變化，兩者互補，提供了血管結構和血流狀態的豐富信息。例如，在某些區域，熒光信號強度相似，但激光散斑血流成像（LSCI）卻揭示出了血流速度的巨大差異；而在另一些區域，雖然血管在熒光成像中清晰可見，但由于血流速度過慢，在激光散斑血流成像（LSCI）中卻難以分辨。這種互補性為全面研究血管的結構和功能提供了更為豐富和準確的信息。
在研究中，OTC技術成功地創建了一個可持續且有效的透明顱骨窗，極大地提高了成像和PDT實驗的可視化效果。通過對比小鼠顱骨在OTC處理前后的圖像可以清晰地看到，處理后的顱骨透明度明顯提高，小鼠腦內的血管網絡清晰可見。這為后續的成像和治療操作提供了良好的基礎，使得研究人員能夠更準確地觀察腦血管的形態和功能變化，進一步提高了實驗的準確性和可靠性。
PDT光動力治療的重要發現
在完成顱骨組織透明化處理后，研究人員對小鼠進行麻醉并固定在顯微鏡臺上，首先使用明場照明選擇血管豐富且成像清晰的區域，然后通過尾靜脈注射LBI納米脂質體。隨后進行成像引導的靶向PDT實驗，在選定的腦區血管上，使用激光照射10分鐘。照射停止20分鐘后，獲取目標區域的明場、熒光和LSCI圖像。結果顯示，熒光圖像中出現了明亮的熒光斑點，這是由于受損血管出血導致的，同時還觀察到熒光信號普遍降低，這可能與循環中LBI濃度的下降有關。而LSCI圖像則顯示出照射區域內毛細血管的LSC信號幾乎完全消失，這表明LBI在血管中產生的ROS引發了血栓形成和血管阻塞，從而導致照射區域的血流速度大幅降低或完全停止。
24小時后再次進行成像觀察，明場成像未發現明顯變化，但NIR熒光成像顯示循環中的LBI近紅外熒光信號幾乎完全消失，這意味著大多數納米脂質體已經從血液中清除，只有極少數附著在血管壁上。而LSCI成像則顯示出先前因血管損傷而阻塞的血管出現了恢復跡象。這一結果得益于對激光照射劑量的精確控制，因為過高的照射劑量可能會導致不可逆的血管損傷和LBI在目標區域的阻塞。通過比較不同時間點的LSCI圖像，還可以觀察到視野內現有血管的血流速度有所增加，并且出現了新的毛細血管。
深遠意義與未來展望
這項成果不僅能夠實現對腦血管損傷的精準誘導和全程有效的監測，還為癌癥和其他疾病的血管光動力治療開辟了一條全新的、精準的成像引導之路。它有望推動腦血管疾病治療的發展，提供早期精準診斷和微創治療的可能性，大大減輕患者的痛苦和經濟負擔。此外，該技術還在腫瘤治療領域展現了巨大潛力，可能催生出更加高效、安全的聯合治療方案，為癌癥患者帶來新的希望之光。
深圳大學的研究引入了創新的經顱腦成像和治療法，整合了近紅外熒光（NIR）和激光散斑血流成像（LSCI）等前沿成像技術，為腦血管病創新研究和治療帶來了希望。成像引導的PTD光動力療法可以精準阻斷病變血管，將為靶向精確治療提供了強有力的技術支持和治療手段。
論文信息
聲明：本文僅用作學術目的。
Liu J, Xu H, Gao S, Liu L, Qu J, Ohulchanskyy TY. Combining near infrared fluorescence and laser speckle imaging with optical tissue clearing for in vivo transcranial monitoring of cerebral blood vessels damaged by photodynamic nanoformulation. Biomed Opt Express. 2024 Jan 22;15(2):924-937.
doi: 10.1364/BOE.513820.
