Science子刊：深入到活体组织中的无创成像方法

　　使用高功率激光，这种新方法可以帮助生物学家研究人体的免疫反应并开发新药。

　　

代谢成像是一种非侵入性方法，使临床医生和科学家能够使用激光研究活细胞，这可以帮助他们评估疾病进展和治疗反应。但是，当光线照射到生物组织中时，会发生散射，从而限制了光线穿透的深度，并影响了捕获图像的分辨率。

现在，麻省理工学院的研究人员开发了一种新技术，将代谢成像的通常深度限制提高了一倍多。他们的方法还提高了成像速度，产生了更丰富、更详细的图像。

这项新技术不需要对组织进行预处理，比如切割或染色。相反，一种专门的激光照射到组织深处，使细胞和组织内的某些固有分子发光。这消除了改变组织的需要，为其结构和功能提供了更自然和准确的表示。

研究人员通过自适应定制深层组织的激光来实现这一目标。使用最近开发的纤维成形器——一种他们通过弯曲来控制的设备——他们可以调整光的颜色和脉冲，以减少散射，并在光深入组织时最大化信号。这使他们能够更深入地观察活体组织，并捕捉到更清晰的图像。

更大的穿透深度、更快的速度和更高的分辨率使这种方法特别适合要求苛刻的成像应用，如癌症研究、组织工程、药物发现和免疫反应研究。

“这项工作显示了无标签代谢成像在无标签代谢成像深度穿透方面的显着改善。它为研究和探索生物系统深处的代谢动力学开辟了新的途径，”电气工程与计算机科学系（EECS）助理教授、电子研究实验室成员、一篇关于这种成像技术的论文的资深作者Sixian You说。与她共同撰写论文的是EECS的研究生第一作者Kunzan Liu。这项研究发表在今天的《Science Advances》杂志上。

这种新方法属于无标签成像的范畴，这意味着组织事先不染色。染色可以形成对比，帮助临床生物学家更好地观察细胞核和蛋白质。但染色通常需要生物学家对样本进行切片和切片，这一过程往往会杀死组织，使其无法研究活细胞的动态过程。

在无标签成像技术中，研究人员使用激光照射细胞内的特定分子，使它们发出不同颜色的光，揭示各种分子内容和细胞结构。然而，产生具有特定波长和高质量脉冲的理想激光用于深层组织成像一直具有挑战性。

研究人员开发了一种新的方法来克服这一限制。他们使用一种多模光纤，一种可以携带大量电力的光纤，并将其与一种称为“光纤成形器”的小型设备耦合在一起。这种整形器允许他们通过自适应地改变光纤的形状来精确地调制光的传播。弯曲光纤会改变激光的颜色和强度。

在先前工作的基础上，研究人员调整了纤维成形器的第一个版本，用于更深层次的多模态代谢成像。

“我们希望将所有这些能量转化为我们需要的颜色，并具有我们需要的脉冲特性。这给了我们更高的生成效率和更清晰的图像，甚至在组织深处，”EECS研究生Honghao Cao说。

一旦他们建立了可控的机制，他们就开发了一个成像平台，利用强大的激光源产生更长波长的光，这对于深入穿透生物组织至关重要。

“我们相信这项技术有潜力显著推进生物学研究。通过使生物实验室能够负担得起并使用它，我们希望为科学家们提供一个强大的发现工具，”Kunzan Liu说。

动态应用程序

当研究人员测试他们的成像设备时，光能够穿透超过700微米的生物样本，而之前最好的技术只能达到大约200微米。

“有了这种新型的深度成像技术，我们想要观察生物样本，看到一些我们以前从未见过的东西，”Liu补充说。

深度成像技术使他们能够看到生命系统内多个层次的细胞，这可以帮助研究人员研究发生在不同深度的代谢变化。此外，更快的成像速度使他们能够收集有关细胞代谢如何影响其运动速度和方向的更详细信息。

这种新的成像方法可以促进类器官的研究，类器官是一种工程细胞，可以模仿器官的结构和功能生长。Kamm和Griffith实验室的研究人员率先开发了大脑和子宫内膜类器官，这些器官可以像器官一样生长，用于疾病和治疗评估。

然而，在不切割或染色组织的情况下精确观察内部发展一直是一个挑战，这会杀死样本。这种新的成像技术使研究人员能够在活体类器官继续生长时无创地监测其体内的代谢状态。

考虑到这些和其他生物医学应用，研究人员计划以更高分辨率的图像为目标。与此同时，他们正在努力创造低噪声激光源，这可以用更少的光剂量实现更深入的成像。他们还在开发算法，对图像做出反应，以高分辨率重建生物样本的完整3D结构。

从长远来看，他们希望将这项技术应用于现实世界，帮助生物学家实时监测药物反应，以帮助开发新药。“通过实现深入组织的多模式代谢成像，我们为科学家提供了前所未有的能力，可以观察自然状态下的非透明生物系统。我们很高兴能与临床医生、生物学家和生物工程师合作，推动这项技术的发展，并将这些见解转化为现实世界的医学突破。”

“这项工作令人兴奋，因为与目前的技术相比，它使用了创新的反馈方法来对组织中更深层次的细胞代谢进行成像。这些技术还提供了快速的成像速度，用于揭示血管内免疫细胞运动的独特代谢动力学。我希望这些成像工具将有助于发现动态生命系统中细胞功能和新陈代谢之间的联系，”莫格里奇研究所的研究员Melissa Skala说，她没有参与这项工作。

塔夫茨大学（Tufts University）生物医学工程教授Irene Georgakoudi也没有参与这项工作，她补充说：“能够依靠NAD(P)H自身荧光对比更快、更深入地获取高分辨率多光子图像，为研究一系列重要问题打开了大门。在评估代谢功能时，尽可能快地对活体组织进行成像，这在确保数据的生理相关性、取样有意义的组织体积或监测快速变化方面始终是一个巨大的优势。对于癌症诊断或神经科学的应用，更深入、更快的成像使我们能够考虑更多的问题和相互作用，这些问题和相互作用以前没有在活组织中研究过。”