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小动物光声成像应用举例

2020.6.29

作者：汇佳生物仪器（上海）有限公司翟俊辉

近红外小动物光声成像可广泛应用于新型造影剂（探针）的研发、纳米材料临床应用分析、心血管、药物代谢、疾病早期诊断、肿瘤疗效观察、基因表达研究、干细胞及免疫研究等领域。

1. 光学造影剂应用

我们人体内有许多的成分都是内源性造影剂，例如血红蛋白就是一个很好的内源性造影剂，而携带了氧的血红蛋白在另外的波长会有较大的吸收，所以根据这个原理光声就可以测量血红蛋白浓度和血氧饱和度。体内的软组织、肿瘤内的新生血管也是良好的造影剂，肿瘤的血管新生其原理也是基于血管活动十分活跃，因此含有的血红蛋白浓度高于肿瘤内部结构，基于血红蛋白检测的光声波长就可以实施肿瘤血管新生的分析。

外源性的造影剂，只要其吸收波长在680nm~950nm之间，都可以用光声成像系统来实施检测，例如常用的ICG、几乎所有的纳米材料等，都能在光声系统中产生很好的检测信号。、

2. 纳米材料(新型造影剂)中的应用

纳米材料由于其均一的分散性和纳米级粒度而导致其在近红外有较好的光吸收，这也是光声成像的基础。Endra Nexus 128由于其激发波长是处于680-950纳米，因此所有纳米材料包括碳纳米管(carbon nanotubes)、金纳米棒(gold nanorods)、金纳米笼(gold nanocages)和金纳米球(gold nanospheres)都可以在这个波长内有相应的光吸收，这对于新型纳米探针研究十分有益。
由于Endra Nexus 128光声系统具有非侵入性探测的特点，同时也因为它是真正的3-D成像，因此非常适合于对实验动物的连续观察。在探针被注入实验动物体内后，可以间断性地来扫描实验动物，从而得到探针在体内被摄入、吸收、清除的动态信息。

      例如为研究金纳米棒在小鼠移植肿瘤中的动态分布过程，在注射纳米探针后每隔15分钟扫描一次动物，共扫描5次，总时间达到75分钟。扫描后的光声图像可以在软件内融合、并生成相应的动态曲线，方便我们的分析。
      从软件分析的界面可以看出，应用Nexus 128可以实现探针实验研究的各个方面，这包括比较不同探针的吸收时间、比较肿瘤不同区域吸收时间、检验不同吸收时间探针浓度效果和检验靶向探针在肿瘤内部的3-D分布状况等。这些应用对于探针研发、临床前评估都是至关重要的。

3. 解剖学应用

      由于生物机体的肌肉、骨骼、蛋白质等在近红外区域都有一定程度的吸收，作为内源性造影剂，在光声扫描下可以呈现不同的光声信号，因而可以作为解剖学成像的一个手段。在下图的光声成像中，我们可以清楚看到鼠的各个解剖学结构。

4. 肿瘤学应用

4.1 肿瘤形态学
光声由于其具有的高分辨率，因此可以在肿瘤形态学研究中发挥自己独特的优势。同时又由于光声检测是一种非侵入性、无损的检测方式，因此对于实验材料来讲是没有任何危害的，因此对于研究结果的解释更加科学合理。

4.2 肿瘤灌注
由于肿瘤外周和内部结构不同，因此会造成这两个不同区域对于造影剂的吸收产生不同的行为。肿瘤外周灌注通常是吸收较快，因为那里有较多的血管新生，代谢旺盛，因而清除速度也快，曲线呈现快升快降模式；相反，肿瘤内部由于代谢较慢，灌注呈现慢升慢降模式，且总体信号峰值大大低于肿瘤外周信号。这可以用于肿瘤状态测定，如果这两个峰值在时间上逐渐靠近，说明肿瘤得到了抑制，向预后良好方向发展，反之表明肿瘤恶化。

4.3 探针吸收-动态扫描

对于任何商业化可用的探针和造影剂来讲，Endra Nexus 128都能进行相应的动态扫描。然后在附带的专业软件中进行摄取、吸收、清除过程的分析。下图是以人用ICG为例，在小鼠的肿瘤模型中的吸收和清除动态过程。