近红外荧光与激光散斑血流成像在脑血管研究的应用
研究背景与技术挑战
在现代医学研究中，脑血管疾病的早期诊断和治疗一直是备受关注的焦点领域。传统成像技术如磁共振成像（MRI）、X射线和超声成像等，在分辨率和功能检测方面存在一定的局限性。深圳大学团队的一项前沿研究成果，将近红外荧光（NIR）和激光散斑血流成像（LSCI）与光学组织透明（OTC）技术相结合，为脑血管成像带来了新的曙光。
技术创新与应用
双模式成像系统：近红外荧光与激光散斑血流成像联用
该研究构建了一个功能强大的双模式成像系统，其中808nm激光用于激发荧光成像，1064nm激光则用于激光散斑血流成像（LSCI），而690nm激光则为光动力治疗（PDT）开辟了道路。这一系统通过高分辨率、高灵敏度的近红外荧光成像以及非侵入性的激光散斑成像，实现了对生物结构和功能的精准观测。为了实现这种双重成像能力，研究人员精心设计了系统的各个组件，确保每种激光都能在其特定波长下提供稳定且有效的光源，从而最大化成像效果。
纳米制剂的应用
为了实现精准的成像引导治疗，研究人员合成了一种包含近红外荧光染料ICG和光敏剂BPD的脂质体纳米制剂（LBI）。ICG在808nm激光的激发下发射出强烈的荧光信号，而BPD则在690nm激光照射下激活，产生单线态氧，引发光动力反应，从而对病变血管进行精准打击。LBI不仅能够作为成像探针，还能作为一种治疗载体，使得研究者能够在同一实验中同时完成成像和治疗任务，大大提高了实验效率和准确性。
光学组织透明技术是本研究的关键基石之一。研究人员采用了一种由S1（75%乙醇和尿素饱和上清液）、S2（高浓度十二烷基苯磺酸钠溶液）和S3（紫外线固化胶）组成的独特方法，成功地在小鼠头骨上打造了一个持久且高度透明的窗口，极大地提升了成像的深度和清晰度。这一技术不仅解决了生物组织对光的散射和吸收难题，还避免了开颅手术带来的大脑环境改变和炎症风险，有利于长时间成像观察。
典型应用案例
成像互补性的有力验证
在成像实验中，荧光成像能够捕捉到LBI的分布踪迹，无论是在血管的主干道还是微小的分支血管中，都能清晰地显示其存在。这使得研究人员可以根据荧光信号的强度和分布范围，准确地评估血管的体积和浓度情况。而激光散斑血流成像（LSCI）则敏锐地感知到颗粒运动所引起的散斑图案变化，两者互补，提供了血管结构和血流状态的丰富信息。例如，在某些区域，荧光信号强度相似，但激光散斑血流成像（LSCI）却揭示出了血流速度的巨大差异；而在另一些区域，虽然血管在荧光成像中清晰可见，但由于血流速度过慢，在激光散斑血流成像（LSCI）中却难以分辨。这种互补性为全面研究血管的结构和功能提供了更为丰富和准确的信息。
在研究中，OTC技术成功地创建了一个可持续且有效的透明颅骨窗，极大地提高了成像和PDT实验的可视化效果。通过对比小鼠颅骨在OTC处理前后的图像可以清晰地看到，处理后的颅骨透明度明显提高，小鼠脑内的血管网络清晰可见。这为后续的成像和治疗操作提供了良好的基础，使得研究人员能够更准确地观察脑血管的形态和功能变化，进一步提高了实验的准确性和可靠性。
PDT光动力治疗的重要发现
在完成颅骨组织透明化处理后，研究人员对小鼠进行麻醉并固定在显微镜台上，首先使用明场照明选择血管丰富且成像清晰的区域，然后通过尾静脉注射LBI纳米脂质体。随后进行成像引导的靶向PDT实验，在选定的脑区血管上，使用激光照射10分钟。照射停止20分钟后，获取目标区域的明场、荧光和LSCI图像。结果显示，荧光图像中出现了明亮的荧光斑点，这是由于受损血管出血导致的，同时还观察到荧光信号普遍降低，这可能与循环中LBI浓度的下降有关。而LSCI图像则显示出照射区域内毛细血管的LSC信号几乎完全消失，这表明LBI在血管中产生的ROS引发了血栓形成和血管阻塞，从而导致照射区域的血流速度大幅降低或完全停止。
24小时后再次进行成像观察，明场成像未发现明显变化，但NIR荧光成像显示循环中的LBI近红外荧光信号几乎完全消失，这意味着大多数纳米脂质体已经从血液中清除，只有极少数附着在血管壁上。而LSCI成像则显示出先前因血管损伤而阻塞的血管出现了恢复迹象。这一结果得益于对激光照射剂量的精确控制，因为过高的照射剂量可能会导致不可逆的血管损伤和LBI在目标区域的阻塞。通过比较不同时间点的LSCI图像，还可以观察到视野内现有血管的血流速度有所增加，并且出现了新的毛细血管。
深远意义与未来展望
这项成果不仅能够实现对脑血管损伤的精准诱导和全程有效的监测，还为癌症和其他疾病的血管光动力治疗开辟了一条全新的、精准的成像引导之路。它有望推动脑血管疾病治疗的发展，提供早期精准诊断和微创治疗的可能性，大大减轻患者的痛苦和经济负担。此外，该技术还在肿瘤治疗领域展现了巨大潜力，可能催生出更加高效、安全的联合治疗方案，为癌症患者带来新的希望之光。
深圳大学的研究引入了创新的经颅脑成像和治疗法，整合了近红外荧光（NIR）和激光散斑血流成像（LSCI）等前沿成像技术，为脑血管病创新研究和治疗带来了希望。成像引导的PTD光动力疗法可以精准阻断病变血管，将为靶向精确治疗提供了强有力的技术支持和治疗手段。
论文信息
声明：本文仅用作学术目的。
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.
