研究背景與技術挑戰(zhàn)
光學成像的局限性
光學成像技術在生物醫(yī)學領域有著廣泛應用，但其發(fā)展一直受到光學顯微鏡的衍射極限和光子散射問題的限制。衍射極限使得傳統(tǒng)光學顯微鏡的分辨率被限制在幾百納米以內(nèi)，而光子散射則導致成像深度超過幾百微米后分辨率急劇下降。盡管超分辨成像技術如STED、RESOLFT、PALM 和STORM等部分突破了衍射極限，但在深層組織成像時仍難以避免光子散射的影響。

光聲超聲成像的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)
光聲超聲成像技術通過檢測光吸收后產(chǎn)生的超聲波進行成像，利用超聲波的傳播特性，受光子散射影響較小，能夠在更深的組織層次實現(xiàn)高分辨率成像。例如，光聲超聲成像可以通過測量血紅蛋白吸收光產(chǎn)生的信號，詳細可視化活體內(nèi)的血管結構，并解析血管和組織的血氧飽和度。然而，光聲超聲成像在生物醫(yī)學成像領域的廣泛應用仍面臨挑戰(zhàn)。一個關鍵問題是如何在復雜的生物組織背景下，實現(xiàn)對特定細胞或分子的高對比度成像。由于大多數(shù)生物靶標在可見光范圍內(nèi)并非主要的光吸收體，現(xiàn)有的光聲造影劑在與組織背景的光吸收競爭中面臨困境。

技術創(chuàng)新與應用
光開關技術的引入
光開關技術通過控制標記物與光聲信號生成相關的屬性，如吸收系數(shù)、光聲信號生成效率或分子數(shù)量等，實現(xiàn)對光聲信號的調制。光開關分子在特定波長的光照射下可以在兩種不同吸收光譜的狀態(tài)之間轉換。通過交替使用兩種波長的光脈沖，控制標記物在兩種狀態(tài)之間切換，并在光聲成像過程中實時調制信號。這種時空調制的光聲信號能夠有效區(qū)分標記物產(chǎn)生的信號和背景組織產(chǎn)生的信號，顯著提高成像的對比度和靈敏度。

信號時間控制的不同機制的圖示

多路復用成像與生物傳感
光開關技術不僅提高了光聲超聲成像的對比度和靈敏度，還為多路復用成像提供了可能。由于不同光開關標記物具有獨特的光開關動力學特性，可以通過識別這些特性來區(qū)分多種標記物。例如，在一項實驗中，研究人員通過分析不同光開關蛋白的光開關衰減動力學，成功區(qū)分了三種不同的標記物。此外，光聲超聲成像技術在生物傳感領域也展現(xiàn)出獨特價值，例如開發(fā)基于光開關蛋白的鈣離子傳感器，監(jiān)測鈣離子濃度的變化來研究細胞的生理活動。

成像實驗與結果分析
腫瘤成像實驗
在一項針對腫瘤成像的研究中，研究人員將表達光開關蛋白 RpBphP1 的 U87 細胞植入小鼠體內(nèi)，通過交替使用 630nm 和 780nm 的脈沖光照射，并利用 512 元環(huán)陣列超聲探測器進行檢測，成功實現(xiàn)了對植入細胞位置的可視化。即使在 10mm 深度處也能以約 80 的對比度噪聲比（CNR）檢測到每體素約 3×103 個細胞。這表明光聲超聲成像技術能夠在較深的組織層次實現(xiàn)對腫瘤細胞的高靈敏度檢測。

總結與展望
光聲超聲成像技術作為一種新興的生物醫(yī)學成像手段，憑借其高分辨率、深層次成像以及良好的生物相容性等優(yōu)勢，在生物醫(yī)學研究和臨床診斷領域具有廣闊的應用前景。光開關技術的引入，為解決光聲成像中的背景信號干擾問題提供了有效的解決方案，顯著提高了成像的對比度和靈敏度，并拓展了光聲成像的多路復用能力和生物傳感應用。但光聲超聲成像技術的發(fā)展仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，光開關標記物的性能有待進一步優(yōu)化，包括提高其光穩(wěn)定性、增強光開關效率、降低毒性等；成像系統(tǒng)的硬件設備仍需不斷改進，以提高成像速度、分辨率和靈敏度；此外，如何將光聲超聲成像技術更好地與其他成像技術進行融合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，也是未來研究的重要方向。隨著光聲超聲成像技術的不斷創(chuàng)新和完善，我們有理由相信，它將在生物醫(yī)學領域發(fā)揮越來越重要的作用。

論文信息
聲明：本文僅用作學術目的。
Stiel AC, Ntziachristos V. Controlling the sound of light: photoswitching optoacoustic imaging. Nat Methods. 2024 Nov;21(11):1996-2007.

DOI:10.1038/s41592-024-02396-2.