應(yīng)用分享：新型探針開(kāi)發(fā)的嶄新武器—iThera Medical光聲成像系統(tǒng)

新型探針研發(fā)一直是各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)，通過(guò)開(kāi)發(fā)、應(yīng)用對(duì)給定生物標(biāo)志物做出反應(yīng)的探針，研究人員可以在疾病發(fā)生發(fā)展過(guò)程中對(duì)體內(nèi)分子事件進(jìn)行成像，這些信息可以提供有價(jià)值的細(xì)節(jié)，有助于疾病診斷和治療監(jiān)測(cè)。光聲成像結(jié)合了光學(xué)成像的高對(duì)比度特性和超聲成像的高穿透深度特性的優(yōu)點(diǎn)，以超聲探測(cè)器探測(cè)聲波代替光學(xué)成像中的光子檢測(cè)，從原理上避開(kāi)了光學(xué)散射的影響，可以提供高對(duì)比度和高分辨率的組織影像，為研究生物組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理特征、代謝功能、病理特征等提供了重要手段，同時(shí)滿(mǎn)足現(xiàn)今小動(dòng)物活體成像所需的“功能”和“結(jié)構(gòu)”成像。iThera Medical作為光聲成像領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)品牌，其研發(fā)的MSOT inVision 可以非侵入式的進(jìn)行自動(dòng)斷層掃描圖像采集，具有無(wú)可比擬的靈敏度、高時(shí)空分辨率和圖像幀率，幫助捕獲重要信息；多波長(zhǎng)檢測(cè)，強(qiáng)大的圖像重建與分析功能，能夠?qū)ι�物組織生色團(tuán)精準(zhǔn)定位及定量，在新型探針開(kāi)發(fā)領(lǐng)域?yàn)檠芯空咛峁��?qiáng)大影像平臺(tái)。在此與大家分享MSOT inVision在新型探針開(kāi)發(fā)方面的應(yīng)用。在第一篇研究中，研究者報(bào)告了兩個(gè)基于氧雜蒽的光聲探針(C1X-OR1和C2X-OR2)，用于肝堿性磷酸酶（或β-半乳糖苷酶）的時(shí)間空間成像，用于評(píng)估和定位藥物誘導(dǎo)的肝損傷（或轉(zhuǎn)移性腫瘤）。C1X-OR1和C2X-OR2作為可激活的光聲探針，分別用于肝損傷和轉(zhuǎn)移性腫瘤成像。C1X-OR1用于通過(guò)對(duì)肝堿性磷酸酶ALP活性作出反應(yīng)對(duì)藥物誘導(dǎo)的肝損傷進(jìn)行成像;而分子探針C2X-OR2旨在通過(guò)感測(cè)β-半乳糖苷酶的活性對(duì)轉(zhuǎn)移性腫瘤進(jìn)行成像，探針體內(nèi)響應(yīng)示意圖見(jiàn)圖1。
該研究使用對(duì)乙酰氨基酚誘導(dǎo)小鼠肝損傷，然后靜脈注射脂質(zhì)體C1X-OR1，之后采用MSOT技術(shù)通過(guò)對(duì)肝磷酸酶活性變化的成像來(lái)檢測(cè)藥物誘導(dǎo)的肝損傷，在肝損傷小鼠的ROI中檢測(cè)到光聲信號(hào)證明了探針對(duì)組織的辨別能力，以單波長(zhǎng)（800nm）圖像作為解剖學(xué)參考，可與探針的光聲信號(hào)進(jìn)行merge，數(shù)據(jù)分析得到肝損傷小鼠肝區(qū)ROI在不同時(shí)間點(diǎn)的平均光聲強(qiáng)度；在注射脂質(zhì)體探針前和注射30分鐘后，獲取肝損傷小鼠的正交最大強(qiáng)度投影(MIP)圖像；對(duì)探針注射30分鐘后不同劑量APAP預(yù)處理小鼠進(jìn)行MSOT成像和量化。該探針是一種用于檢測(cè)肝ALP的雙模探頭，熒光成像結(jié)果也證明光聲信號(hào)的增加是由于肝ALP活性的上升。此外，該研究還使用蛋白質(zhì)印跡分析、HE染色，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明MSOT強(qiáng)度與肝損傷的嚴(yán)重程度直接相關(guān)。所有這些結(jié)果表明，MSOT可以通過(guò)時(shí)間和空間方式檢測(cè)肝損傷引起的肝磷酸酶水平升高。
  為了探索探針在治療過(guò)程中跟蹤肝臟康復(fù)的能力，每天使用解毒劑喂養(yǎng)小鼠，在藥物治療過(guò)程中，肝臟區(qū)域的光聲信號(hào)逐漸減弱。熒光成像給出了與光聲實(shí)驗(yàn)相似的結(jié)果，HE染色，TUNEL染色驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性（圖3）。
  該研究還在小鼠的左腋窩區(qū)域皮下注射卵巢細(xì)胞，然后在一定時(shí)間后進(jìn)行瘤內(nèi)注射C2X-OR2，結(jié)果表明，MSOT和熒光模式都可以對(duì)卵巢細(xì)胞注射結(jié)果的異種移植腫瘤進(jìn)行成像。為了模擬卵巢癌向腹腔的轉(zhuǎn)移，將卵巢癌細(xì)胞注射到雌性裸鼠的腹腔中，并在幾周后通過(guò)腹腔內(nèi)注射C2X-OR2進(jìn)行光聲成像。注射后3周，腹腔內(nèi)可觀察到2個(gè)光聲信號(hào)小點(diǎn)；而6周后可以看到更多更大的斑點(diǎn)，更重要的是，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的MIP圖像可以準(zhǔn)確確定小鼠腹腔內(nèi)轉(zhuǎn)移腫瘤的位置，而無(wú)法通過(guò)熒光成像清楚地觀察到腹腔中小而深的轉(zhuǎn)移腫瘤。這項(xiàng)研究中，證明了探針C2X-OR2能夠通過(guò)MSOT成像檢測(cè)和定位轉(zhuǎn)移性卵巢腫瘤。另一方面，采用MSOT和熒光成像來(lái)檢測(cè)通過(guò)淋巴管從原發(fā)腫瘤到淋巴結(jié)的轉(zhuǎn)移，6周后，可以清楚地觀察到原發(fā)腫瘤和腫瘤細(xì)胞侵入的前哨淋巴結(jié)（圖4）。
  另一項(xiàng)研究是研發(fā)了適用于NIR-II熒光和光聲成像的雙模探頭：H2O2活化的雙模態(tài)納米探針BTPE-NO2@F127，用于診斷間質(zhì)性膀胱炎和肝臟缺血再灌注損傷。間質(zhì)性膀胱炎是一種以骨盆疼痛、尿頻、尿急為特征的膀胱炎癥性疾病。很難診斷，因?yàn)槟壳皼](méi)有具體的臨床測(cè)試來(lái)診斷這種疾病，因此通常是在排除其他疾病的情況下診斷出來(lái)的。在間質(zhì)性膀胱炎的情況下，膀胱中存在包括H2O2在內(nèi)的活性氧的增加，因此H2O2可以作為該疾病的原位生物標(biāo)志物。該研究中腹腔注射不同劑量的環(huán)磷酰胺建立間質(zhì)性膀胱炎小鼠模型，將納米探針注射到小鼠體內(nèi)進(jìn)行NIR-II熒光成像和MSOT成像，結(jié)果表明熒光強(qiáng)度隨時(shí)間逐漸增加，并在注射后約90分鐘內(nèi)信號(hào)達(dá)到最大值，HE染色結(jié)果表明模型組有相應(yīng)的病理?yè)p傷（圖5、6）。
    在曲唑酮誘導(dǎo)的肝損傷小鼠模型中，隨著藥物劑量增大，熒光信號(hào)和光聲信號(hào)增強(qiáng)，并且組織病變程度增加（圖7）。
在上面介紹的2個(gè)研究中，iThera光聲成像系統(tǒng)提供了高時(shí)空分辨率、斷層掃描、圖像重建及分析、光譜拆分等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)ι�物組織內(nèi)的生色團(tuán)精準(zhǔn)定位及定量，助力新型探針研發(fā)。
 
1. Wu Y, Huang S, Wang J, Sun L. Activatable probes for diagnosing and positioning liver injury and metastatic tumors by multispectral optoacoustic tomography. Nat Commun. 2018
2.  Chen J, Chen L, Wu Y. A H2O2-activatable nanoprobe for diagnosing interstitial cystitis and liver ischemia-reperfusion injury via multispectral optoacoustic tomography and NIR-II fluorescent imaging. Nat Commun. 2021