背景

慢性腎病，以其高發(fā)生率和強大的潛伏性，已越來越成為一種常見的疾病。如果能夠及時地檢測到該疾病的發(fā)生進程，將大大改善后續(xù)的醫(yī)療成效。在眾多病理特征中，腎小管間質纖維化（Tubulointerstitial fibrosis）作為眾多腎臟疾病發(fā)展進程中的常見中間體，是反映腎臟狀態(tài)的重要指標。目前，臨床方法仍然只能做到減緩病程，并不能阻止或者扭轉疾病對于組織的破壞。因此，醫(yī)療和科研工作人員將注意力放在了疾病的早期階段——如果能在該階段確定病變，則有更大的幾率阻止疾病惡化。

研究思路

在此背景下，Dingyuan等人嘗試對腎小管間質纖維化進行實時檢測。傳統(tǒng)的方法使用的腎活組織切片（Kidney biopsy）容易導致大量出血，因而作者更偏向于非接觸式檢測。而在該領域，通常選用CT、核磁共振等方式，但這些方式輻射風險相對較大，因此作者選擇了光聲/熒光成像方式。而在顯影劑的選擇上，相對于無機材料，有機材料具有更好的生物降解能力、純度以及聚集誘導發(fā)光效應（Aggregation-induced emission, AIE）——一種在溶液中分散時幾乎不發(fā)光，但在聚集狀態(tài)時發(fā)光大大增強的現(xiàn)象——因而被作者看中。同時，現(xiàn)有的大部分具有AIE的光聲顯影劑為疏水性材料，不利于均勻分散和體內代謝，因此作者開發(fā)了一款水溶性AIE腎小管間質纖維化檢測顯影劑。

顯影劑設計及表征

作者首先獲得的是AIE-4COOH分子——一個攜帶4個羧基的具有AIE效應的分子。為了增加其水溶性，作者將4個羧基全部PEG化，成為AIE-4PEG550。AIE-4PEG550在DMSO/水體系中溶解良好，并能夠自組裝形成納米粒子（AIE-4PEG550 NPs，圖1）。表征結果顯示該粒子有以下兩個優(yōu)點：一、粒徑約26 nm，質量約3.3 kDa，能夠有效通過腎臟的濾過作用（截留質量通常為30-50 kDa）；二、光穩(wěn)定性好：在660 nm波長持續(xù)照射30 min后，僅有微小強度下降，而作為對照的顯影劑ICG則已完全猝滅。在645 nm處具有強吸收峰，而發(fā)射峰則在893 nm。

圖1 AIE-4PEG550納米粒子設計思路

圖2 AIE-4PEG550 NPs的左）吸收、發(fā)射圖譜；右）粒徑檢測（溶液均為水）

體外和體內實驗

體外實驗著眼于該有機分子的生物兼容性。在0 – 100 μg/mL該分子溶液中孵育24 h后，HK-2細胞（Human kidney -2，人腎皮質近曲小管上皮細胞）的存活率仍在95%以上（圖3）。

圖3 在不同濃度AIE-4PEG550 NPs環(huán)境下孵育的HK-2細胞存活率

在正常體內實驗中，作者同時進行了熒光和光聲成像，相互驗證了該顯影劑主要聚集于腎臟而非肝臟（圖4），隨著時間流逝，腎臟中的含量逐漸降低，膀胱中的含量逐漸增加，表明該顯影劑可由腎臟代謝，并由尿液排出。測得的24 h清除效率為93.1 ± 1.7%（圖5）。

圖4 在注射顯影劑后，腎臟的熒光（A）和光聲（B）、膀胱的熒光（C）和光聲（D）隨時間的成像效果變化。在腎臟中，4 min達到頂峰，而在膀胱中，60 min達到頂峰。E和F分別為相應的數值變化柱狀圖

圖5 腎臟清除效率隨注射后時間變化曲線（每只小鼠200 μg劑量，n = 3）

而在腎病模型小鼠上，同樣的劑量表現(xiàn)出截然不同的結果：直到180 min之前，腎臟中的顯影劑含量一直在增加，說明腎臟代謝功能降低，本該代謝到膀胱的化合物積聚在腎臟中（圖6），這一現(xiàn)象也在相應的熒光信號強度上有所驗證（圖7）。通過這種區(qū)別，能夠較為直觀地評估腎臟代謝功能。

圖6 在注射顯影劑后，腎臟的熒光（A）和光聲（B、C）、膀胱的熒光（D）和光聲（E、F）隨時間的成像效果變化。

圖7 腎病模型小鼠注射顯影劑后180 min的熒光信號強度變化（紅：腎臟；藍：膀胱）

小結

作者設計并開發(fā)了一種新型熒光/光聲顯影劑，其優(yōu)點主要有：一、體積小，可通過腎臟過濾；二、腎臟清除效率較高；三、得益于AIE效應，成像效果優(yōu)異；四、良好的生物兼容性；五、優(yōu)良的光穩(wěn)定性。在文獻中，作者將其應用于非侵入式地診斷腎小管間質纖維化情況，祝愿在不久的將來，這項技術可以用于臨床，幫助醫(yī)生快速診斷腎臟功能，從而幫助患者更好地恢復。

參考文獻

[1] Yan, D., Li, T., Yang, Y., Niu, N., Wang, D., Ge, J., Wang, L., Zhang, R., Wang, D. and Tang, B.Z. (2022), A Water-soluble AIEgen for Noninvasive Diagnosis of Kidney Fibrosis via SWIR Fluorescence and Photoacoustic Imaging. Adv. Mater.. Accepted Author Manuscript 2206643. https://doi.org/10.1002/adma.202206643

在生物成像和光診療學領域，通過對材料的結構調整以控制其光學性質是探索新材料，發(fā)現(xiàn)新應用的重要且常見方式。貴金屬就是其中較為主要的一類原料，但通常的貴金屬材料存在兩個明顯缺點：一、激發(fā)波長通常落在可見光和近紅外一區(qū)（NIR-I，700 – 1000 nm），這使得成像的深度降低，同時無法與組織發(fā)生明顯的作用；二、該類材料通常不具備激活功能（即始終在線，Always-on），使得難以從成像中分辨目標和其他無關組織，同時可能會存在未知副反應。

在這樣的背景下，作者Chunyu Zhou等人將目標放在更高信噪比、更大成像深度的近紅外二區(qū)（NIR-II，1000 – 1700 nm），開發(fā)能夠對腫瘤微環(huán)境進行響應的貴金屬納米材料。該材料以金納米粒子（Gold nanoparticles，AuNPs）為主體（見圖1），在乙醇和水的混合體系中使其形成納米鏈（Nanochain）。之后引入Tetraethyl orthosilicate，（TEOS），水解后包裹金納米鏈，形成核鞘結構（Core-sheath nanostructure，AuNCs@SiO2）。注射至小鼠體內后，因腫瘤微環(huán)境（Tumor microenvironment，TME）中高H2O2水平觸發(fā)鄰近金納米顆粒在AuNCs@SiO2的有限局部空間內融合，從而產生了具有強NIR-II吸收的串狀結構。

圖1：AuNCs@SiO2作用示意圖

因AuNCs@SiO2具有TME激活特性，因此不容易受其他組織的影響，表現(xiàn)出優(yōu)異的光聲成像性能（圖2）。

圖2：正常組織與腫瘤組織的超聲、光聲成像對比

同時，AuNCs@SiO2在1064 nm處光熱轉換效率高達82.2%（圖3），可導致癌細胞嚴重死亡，顯著抑制腫瘤生長（圖4、5、6）。

圖3：AuNCs@SiO2與其他已報道的光熱治療試劑的轉換效率對比：1) AuNCs@SiO2; 2) Au3Cu@PEG TPNCs; 3) Au-wires-on-AuNR; 4) Pt Spiral; 5) Cu2MnS2 NPs; 6) Nb2C (Mxene); 7) Cu3BiS3 NRs; 8) L-Pdots; 9) TBDOPV-DT NPs; 10) SPN-DT

圖4：注射PBS和AuNCs@SiO2的荷4T1瘤小鼠光熱紅外熱成像（1064 nm NIR-II激光，0.5 W/cm2）

圖5：注射PBS和AuNCs@SiO2后，腫瘤部位溫度與照射時長的變化趨勢

圖6：接受相應治療后的小鼠腫瘤大小對比（I：PBS；II：AuNCs@SiO2；III：PBS+Laser；IV：AuNCs@SiO2+Laser）

總結：作者成功合成出具有TME響應的、同時具有光聲成像和光熱治療功能的二氧化硅包裹自組裝金納米鏈。通過TME中高濃度H2O2水，使金納米粒子表面檸檬酸氧化，進而脫離納米粒子表面，導致金納米粒子融合，產生強NIR-II吸收。這一新型材料或許能夠為準確非侵入性診療打開新的大門。

美國PhotoSound 小動物3D光聲/熒光成像系統(tǒng) (PAFT)

美國PhotoSound小動物全身3D光聲/熒光成像系統(tǒng)(PAFT)為小動物活體成像和表征提供了完整的解決方案。該系統(tǒng)集成了三種互補的三維成像模式：光聲成像(PAT)、熒光成像(FMT)、生物發(fā)光成像(BLT)，可同時實現(xiàn)小動物的3D光聲、3D熒光和3D生物發(fā)光成像,該系統(tǒng)可為生物組織提供高分辨率、高對比的解剖學成像效果。

可實現(xiàn)近紅外一區(qū)和近紅外二區(qū)（670-2600 nm）小鼠全身3D光聲/熒光成像系統(tǒng)，采用OPO可調式激光器，提供670-2600 nm連續(xù)脈沖激光、完全3D光聲成像(具有100 um等向分辨率的完全三維成像，非切片疊加成像)、高通量 (256個電子通道)、靈敏度高(60 nM ICG )、桌面式設計，方便使用、成像速度快 (完成一次3D掃描需30秒)。

往期回顧

● 美國PhotoSound小動物全身3D光聲/熒光成像系統(tǒng)

● 小鼠解剖應用筆記 —— 美國PhotoSound小動物全身3D光聲/熒光成像系統(tǒng)

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多光譜光聲斷層掃描成像：開創(chuàng)醫(yī)學影像的新篇章

多光譜光聲斷層掃描成像（MSPAT）是一項革命性的成像技術，結合了光學和超聲波的優(yōu)勢，能夠提供高分辨率的圖像，且具有較高的深度穿透能力。隨著技術的不斷發(fā)展，MSPAT在醫(yī)學成像、癌癥檢測、腦部研究等領域展現(xiàn)了廣泛的應用潛力。本篇文章將深入探討多光譜光聲斷層掃描成像的原理、優(yōu)勢及其在臨床診斷中的應用。

光聲效應與成像原理

多光譜光聲斷層掃描成像的核心原理是基于光聲效應。當激光光源照射到組織中時，組織中的水分和血紅蛋白會吸收特定波長的光，導致局部溫度升高并產生快速的熱膨脹。這個過程會激發(fā)聲波的產生，聲波的強度和頻率可以通過超聲探頭進行探測，從而反映出組織的內部結構和成分。

多光譜光聲斷層掃描成像之所以能稱為“多光譜”，是因為它使用了不同波長的激光源，從而可以獲得組織的不同光學特性。這種技術的優(yōu)勢在于，它能夠獲取更豐富的組織信息，識別不同的組織成分，如血管、腫瘤以及其他病變區(qū)域。

多光譜光聲斷層掃描成像的優(yōu)勢

相比傳統(tǒng)的成像技術，如CT（計算機斷層掃描）和MRI（磁共振成像），多光譜光聲斷層掃描成像具有獨特的優(yōu)勢。MSPAT能夠以較高的分辨率提供結構性圖像，這在微小病變的早期發(fā)現(xiàn)上至關重要。尤其是在腫瘤檢測方面，MSPAT能有效區(qū)分腫瘤組織和健康組織，有助于提高腫瘤早期篩查的準確性。

MSPAT能夠在不使用放射線的情況下，獲得豐富的血管信息。傳統(tǒng)的成像技術需要注射對比劑來突出血管的顯現(xiàn)，而MSPAT則通過不同波長的激光照射，可以無創(chuàng)性地提供關于血管的詳細信息，且能夠深入體內組織層次，幫助醫(yī)生更好地評估腫瘤的血供狀況或病變的演變過程。

臨床應用前景

在醫(yī)學領域，MSPAT已經展現(xiàn)出巨大的應用潛力，尤其在腫瘤檢測和神經系統(tǒng)疾病的診斷中。通過對腫瘤組織的精確成像，醫(yī)生可以更加準確地評估腫瘤的大小、位置以及血供情況，從而為方案的制定提供重要依據。MSPAT也在腦血管病變、腦部腫瘤等神經系統(tǒng)疾病的研究中，幫助醫(yī)生獲取更加直觀的病變圖像，輔助早期診斷和治果評估。

未來，隨著技術的不斷進步，MSPAT的應用范圍將進一步擴展。尤其是與人工智能結合的進展，MSPAT的圖像分析將更加，能夠幫助醫(yī)生在極短的時間內做出更加科學的診斷決策，極大地提高醫(yī)率和診斷準確率。

結論

多光譜光聲斷層掃描成像作為一項創(chuàng)新的成像技術，憑借其高分辨率、無創(chuàng)性和多波長成像的優(yōu)勢，正在醫(yī)學影像領域中占據越來越重要的地位。隨著技術的不斷發(fā)展，MSPAT將在腫瘤篩查、腦部疾病診斷等方面展現(xiàn)出更加廣泛的應用潛力，并有望成為未來醫(yī)學影像的主流技術之一。

微流控技術在近年來被廣泛的應用于化學、化工、材料、生命科學等應用領域，同時在分子診斷市場也出現(xiàn)了巨大的應用。本次網絡課堂介紹了微流體隱形眼鏡在眼科診斷中的應用。首先介紹了眼淚流體的組份；其次，介紹了隱形眼鏡的結構和微流控加工方法，介紹了壓力驅動模擬隱形眼鏡的測試結果；然后，介紹了基于手機的微型相機分析一滴眼淚的流體分析結果。