“光學分辨率”光聲顯微鏡是一種新興的生物醫學成像技術，可用于癌癥、糖尿病和中風等多種疾病的研究工作。但是靈敏度不足，一直是其獲得更廣泛應用的長期障礙。據麥姆斯咨詢報道，近期，香港城市大學（CityU）的一支研究團隊開發出一種多光譜、超低劑量的光聲顯微鏡（SLD-PAM）系統，該系統的靈敏度極限得到了顯著提高，為未來新的生物醫學應用和臨床轉化提供了可能，相關研究成果以“Super-Low-Dose Functional and Molecular Photoacoustic Microscopy”為題發表于Advanced Science期刊。
多光譜光聲顯微鏡系統及其靈敏度增強示意圖
光聲顯微鏡結合了超聲波檢測和激光誘導光聲信號，以創建生物組織的詳細圖像。當生物組織被脈沖激光照射時會產生超聲波，然后超聲波被檢測并轉換為電信號用于成像。與傳統的光學顯微鏡方法相比，這種新穎的技術可以在更大的深度上實現毛細管水平或亞細胞級別的分辨率。然而，靈敏度不足阻礙了該技術的更廣泛應用。
“高靈敏度對于高質量成像很重要。它有助于檢測不強烈吸收光的發色團（通過吸收特定波長的可見光賦予材料顏色的分子）。它還有助于減少光漂白和光毒性，減少對脆弱器官生物組織的干擾，并在寬光譜范圍內提供更多可選的低成本、低功率激光器。”香港城市大學生物醫學工程系Wang Lidai教授解釋道。
例如，在眼科檢查中，為了更安全和舒適，優選低功率激光器。他補充稱，對于藥代動力學或血流的長期監測，需要低劑量成像以減輕對組織功能的干擾。
為了克服靈敏度挑戰，Wang Lidai教授及其研究團隊最近開發了一種多光譜、超低劑量的光聲顯微鏡系統，突破了傳統光聲顯微鏡的靈敏度極限，將靈敏度顯著提高了約33倍。
他們通過光聲傳感器設計的改進，結合用于計算的4D光譜空間濾波器算法，實現了這一突破。研究人員通過使用實驗室定制的高數值孔徑聲透鏡、優化光學和聲學波束組合器，以及改進光學和聲學對準來改進光聲傳感器的設計。該光聲顯微鏡系統還利用低成本的多波長脈沖激光器，提供從綠光到紅光的11種波長。其激光器以高達兆赫的重復頻率工作，光譜切換時間為亞微秒級。
超低劑量照明下的血管形態提取
為了證明光聲顯微鏡系統的重要性和新穎性，該研究團隊通過綠光和紅光光源的超低脈沖體內動物成像，對其進行了全面的系統測試，并得到了顯著的成果。
首先，該光聲顯微鏡系統能夠實現高質量的體內解剖和功能成像。超低的激光功率和高靈敏度，顯著地減少了眼睛和大腦成像的干擾，為臨床轉化鋪平了道路。其次，在不影響圖像質量的情況下，該光聲顯微鏡系統較低的激光功率，將光漂白減少了約85%，并能夠使用范圍更廣的分子和納米探針。此外，該系統成本顯著降低，使研究實驗室和診所更能負擔得起。
Wang Lidai教授說道：“該光聲顯微鏡系統能夠在對受試者損傷最小的情況下，對生物組織進行非侵入性成像，為解剖、功能和分子成像提供了一種強大而有前景的工具。我們相信該光聲顯微鏡系統有助于推進光聲成像的應用，實現許多新的生物醫學應用，并為臨床轉化鋪平新的道路。”
接下來，Wang Lidai教授及其研究團隊將利用該系統在生物成像中測試更廣泛的小分子和基因編碼生物標志物。他們還計劃在寬光譜中試驗更多類型的低功率光源，以開發可穿戴或便攜式光聲成像顯微鏡。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/advs.202302486
