前沿洞察 | 穿透深度提升4倍！這項新技術(shù)正解鎖活體深層成像的新視界

導(dǎo)語

自1845年人類第壹次觀察到熒光現(xiàn)象以來，熒光顯微鏡已經(jīng)成為生物學(xué)發(fā)現(xiàn)中剛需的“超級神探"。從觀察細(xì)胞結(jié)構(gòu)到對抗未知疾病，它立下了汗馬功勞。

然而，長久以來，這項技術(shù)一直被一個致命的瓶頸所困擾——穿透深度太淺。

今天，隨著短波紅外（SWIR）技術(shù)與近紅外二區(qū)（NIR-II）窗口的深度結(jié)合，一項名為DOLI（漫反射光學(xué)定位成像）的新技術(shù)橫空出世。它不僅成功突破了傳統(tǒng)光學(xué)成像的深度桎梏，更讓無創(chuàng)、深層、高分辨率的活體組織成像成為了現(xiàn)實(shí)。

01. 傳統(tǒng)熒光顯微的“阿喀琉斯之踵"：1毫米的深度桎梏

在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)深層組織的高分辨率光學(xué)觀察，一直是一個長期懸而未決的目標(biāo)。

蘇黎世大學(xué)與蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）生物醫(yī)學(xué)工程研究所的研究員 Quanyu Zhou 指出：“哺乳動物的組織天然具有不透明性，這嚴(yán)重阻礙了光學(xué)成像技術(shù)獲取高分辨率圖像。"

在過去，光學(xué)顯微鏡的穿透深度從根本上受限于所謂的“彈道狀態(tài)"（ballistic regime）——通常只能穿透距離表面不到1毫米的深度。

這意味著什么？

當(dāng)科學(xué)家們想要觀察動物模型（如小鼠）深層大腦區(qū)域的分子和細(xì)胞細(xì)節(jié)時，由于皮膚和頭骨對光線的強(qiáng)烈散射，他們往往不得不采取高度侵入性的外科手術(shù)（例如開顱手術(shù)）。這不僅限制了成像的體積，更對活體研究造成了不可逆的創(chuàng)傷，甚至可能改變生理狀態(tài)，影響研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖 1. 可見光譜范圍內(nèi)觀測到的小鼠顱骨。

圖 2. 采用傳統(tǒng)寬場熒光成像技術(shù)在近紅外二區(qū)窗口下觀測的小鼠顱骨。

02. 破局之法：SWIR 與 NIR-II 窗口的黃金組合

為了打破這一僵局，科學(xué)家們將目光投向了短波紅外（SWIR）相機(jī)和近紅外二區(qū)（NIR-II）光譜窗口。

生物醫(yī)學(xué)成像教授 Daniel Razansky 及其團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，波長在 1000 到 1700 納米之間的 NIR-II 光譜窗口，簡直是深層成像的“黃金通道"。

在這個波段內(nèi)：

• 光散射顯著減少，光子能夠穿透得更深；

• 背景自發(fā)熒光信號被有效抑制，圖像信噪比大幅提升。

然而，挑戰(zhàn)依然存在。雖然 SWIR 相機(jī)和 NIR-II 造影劑擴(kuò)大了可達(dá)到的穿透深度，但由于光子的擴(kuò)散效應(yīng)，有效的空間分辨率會隨著深度的增加而逐漸惡化。

如何才能在看得深的同時，還能看得清？

03. DOLI技術(shù)橫空出世：穿透深度提升4倍的秘密

為了充分解決分辨率隨深度衰減的問題，Razansky 實(shí)驗室（專注于開發(fā)新型多尺度功能和分子成像技術(shù)）與 Zhou 等研究人員共同開發(fā)了一項革命性的新技術(shù)——漫反射光學(xué)定位成像（DOLI，Diffuse Optical Localization Imaging）。

這項技術(shù)的核心邏輯非常巧妙：

它通過在 NIR-II 光譜窗口中獲取一系列落射熒光圖像，對包裹著硫化鉛（PbS）量子點(diǎn)的流動微滴進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

圖 3. 基于定位的 DOLI 方法

Razansky 教授解釋道：“通過在 NIR-II 窗口內(nèi)定位稀疏標(biāo)記的造影劑，DOLI 能夠穿透小鼠大腦等漫反射介質(zhì)，以非侵入性的方式實(shí)現(xiàn)超分辨率成像。"

驚人的突破在于：DOLI 技術(shù)允許在超出光擴(kuò)散限制深度 4 倍的地方進(jìn)行顯微熒光成像！它不僅打破了傳統(tǒng)的光學(xué)極限，還通過利用局部光斑大小，從平面熒光圖像記錄中提取深度信息，進(jìn)入了一個以前光學(xué)方法無法觸及的“分辨率-深度"新領(lǐng)域。

04. 腦科學(xué)研究的新紀(jì)元：直達(dá)1厘米深處的無創(chuàng)洞察

這項技術(shù)的成熟，正在為腦科學(xué)和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究推開一扇全新的大門。

可視化完整活體大腦深處的生物過程，對于理解大腦的認(rèn)知功能以及阿爾茨海默癥、帕金森癥等神經(jīng)退行性疾病至關(guān)重要。

借助高效的 SWIR 相機(jī)和明亮的量子點(diǎn)，研究團(tuán)隊第壹次無創(chuàng)地清晰觀察到了小鼠大腦深處的微血管和血液循環(huán)。成像深度達(dá)到了驚人的 ~1厘米，告別了過去 1毫米 的極限！

圖 4. 基于 DOLI 技術(shù)的小鼠腦血管無創(chuàng)成像

（a）熒光染料灌注后，透過完整頭皮獲取的小鼠頭部寬場（WF）圖像。

（b）微滴注射后，由采集的圖像序列重構(gòu)得到的對應(yīng) DOLI 圖像。

（c）去除頭皮后，在大致相同的感興趣區(qū)域（ROI）內(nèi)獲取的 DOLI 圖像。

（d）通過疊加有無頭皮時的 DOLI 圖像，得到的大腦與頭皮微血管復(fù)合分布圖。

“DOLI 在深層組織光學(xué)觀察中展現(xiàn)出的優(yōu)秀分辨率，可以為大腦提供功能性的洞察，"Zhou 滿懷信心地表示，“我們相信，隨著更高效的 SWIR 相機(jī)以及在 NIR-II 窗口表現(xiàn)出強(qiáng)烈熒光響應(yīng)的新型造影劑的不斷涌現(xiàn)，這些領(lǐng)域中許多未解之謎將在不久的將來得到解答。"

05. 結(jié)語：看見更深，發(fā)現(xiàn)更多

從 1毫米 到 1厘米，從開顱創(chuàng)傷到無創(chuàng)。SWIR 技術(shù)與 DOLI 方法的結(jié)合，不僅是光學(xué)成像技術(shù)的一次巨大飛躍，更是生物醫(yī)學(xué)工程賦能生命科學(xué)研究的優(yōu)秀范例。

它為研究神經(jīng)活動、微循環(huán)、神經(jīng)血管耦合以及神經(jīng)退行性疾病提供了一個具有前景的平臺。未來，隨著 SWIR 硬件設(shè)備的進(jìn)一步升級，我們有理由相信，深層組織活體成像將解鎖更多生命的奧秘。

【行動號召】

探討與交流您所在的實(shí)驗室或企業(yè)，目前在深層組織成像中遇到了哪些瓶頸？您認(rèn)為 SWIR 技術(shù)還能在哪些醫(yī)療或工業(yè)場景中大放異彩？

歡迎在評論區(qū)留言與我們探討！

獲取更多前沿資訊與技術(shù)方案如果您對 SWIR（短波紅外）相機(jī)技術(shù) 或 高分辨率成像鏡頭方案 感興趣，歡迎直接訪問了解更多產(chǎn)品信息，或直接聯(lián)系我們的技術(shù)顧問，獲取專屬行業(yè)解決方案！

參考文獻(xiàn)：

[1] J. Murphy Laser Focus World (Nov 2021).

[2] Q. Zhou, Z. Chen, J. Robin, X.-L. Deán-Ben, and D. Razansky, Optica, 8, 6, 796–803 (2021).