代谢成像是一种非侵入性技术，能够帮助临床医生和科研人员通过激光研究活细胞，从而评估疾病的进展和治疗反应。
然而，当光线照射到生物组织时会发生散射现象，这限制了光的穿透深度并影响成像分辨率。
近期，MIT 研究人员开发出了一种新技术，突破了代谢成像在深度上的传统限制，同时提高了成像速度，能够获得更加丰富和精细的图像。
与传统方法需要对组织进行切割或染色不同，这项新技术无需对组织做任何预处理。它采用一种特殊的激光直接照射组织，激发细胞及组织中的某些内源性分子发光。这样不仅避免了改变组织结构，还能提供更加自然和准确的结构和功能表现。
为了实现这一目标，研究人员自适应地调整激光的特性。他们开发了一种新型光纤整形器，这是一种通过弯曲控制的装置，能够调节激光的颜色和脉冲，最大限度地减少散射并增强信号强度。这使得光能够更深层次地穿透组织并保持图像清晰，从而让研究人员能够更深入地观察活体组织，捕捉到更为清晰的图像。
这段动画展示了对活体完整三维多细胞系统进行深度代谢成像的过程，这些系统是在 MIT Roger Kamm 实验室中培育的。图像中更加清晰的一侧展示了研究人员新成像方法的成果，该方法结合了他们在基于物理去模糊技术方面的早期研究。
更深的穿透深度、更快的成像速度和更高的分辨率，使得这项技术特别适用于癌症研究、组织工程、药物发现以及免疫反应等对成像精度要求较高的领域。
“这项研究在无标记代谢成像的穿透深度上取得了重要突破，为探索和研究活体生物系统中的代谢动态开辟了全新的方向。”MIT 电气工程与计算机科学系助理教授、电子研究实验室成员、该技术论文的资深作者 Sixian You 表示。
论文的主要作者包括 EECS 研究生 Kunzan Liu、MIT 博士后 Tong Qiu、EECS 研究生 Honghao Cao、大脑与认知科学教授 Fan Wang、生物与机械工程系 Cecil 与 Ida Green 杰出教授 Roger Kamm、生物工程系教学创新学院教授 Linda Griffith，以及其他 MIT 的研究人员。该研究成果近期已发表在Science Advances上。
激光聚焦
这项新方法属于无标记成像技术，意味着在成像之前不需要对组织进行染色。虽然染色能够增强对比度，帮助临床生物学家更好地观察细胞核和蛋白质，但染色通常需要对样本进行切片，而这一过程往往会导致组织死亡，无法观察活细胞中的动态过程。
在无标记成像技术中，研究人员通过激光照射细胞中的特定分子，使其发出不同颜色的光，从而揭示细胞内不同的分子成分和结构。然而长期以来，生成适用于深层组织成像的理想激光光线（即具备特定波长和高质量脉冲）是个技术挑战。
为了克服这一难题，研究人员开发了一种新方法。他们使用了一种“多模光纤”，这种光纤可以携带大量能量，并将其与一种名为“光纤整形器”的紧凑型设备相结合。光纤整形器能够通过自适应地改变光纤的形状，精确调节光的传播，弯曲光纤可以改变激光的颜色和强度。
在先前工作的基础上，研究人员将第一代光纤整形器适用于更深层次的多模代谢成像。
“我们希望将所有能量集中在所需的颜色和脉冲特性上，这样可以提高生成效率，获得更清晰的图像，甚至在组织的深层区域也是如此。”Cao 说。
在建立了可控机制后，研究人员开发了一种成像平台，利用强大的激光源生成更长波长的光，这对于深层穿透生物组织至关重要。
“我们相信这项技术有潜力显著推动生物学研究。通过使这项技术变得更加经济并能够广泛应用于生物实验室，我们希望为科学家提供一项强大的工具，助力他们的发现。”Liu 表示。
动态应用
在测试他们的成像设备时，研究人员发现光能够穿透超过 700 微米的生物样本，而此前最好的技术仅能穿透约 200 微米。
“通过这种新型深度成像技术，我们希望能够观察到生物样本中以前无法看到的细节。”Liu 补充道。
这种深度成像技术使得研究人员能够在活体系统中观察细胞的多个层次，有助于研究不同深度区域的代谢变化。此外，较快的成像速度使得他们能够收集更详细的信息，了解细胞代谢如何影响其运动的速度和方向。
这一新型成像方法对类器官研究具有重要推动作用。类器官是经过工程处理的细胞，能够模拟真实器官的结构和功能。Kamm 和 Griffith 实验室的研究人员在脑类器官和子宫内膜类器官的开发上取得了开创性进展，这些类器官可以像真实器官一样生长，用于疾病研究和治疗评估。
然而，精确观察组织内部的变化一直是一个挑战，因为切割或染色样本通常会导致细胞死亡，无法研究活体中的动态过程。
这项新技术使研究人员能够在类器官继续生长的同时，非侵入性地监测其内部的代谢状态。
考虑到这些应用以及其他生物医学领域的需求，研究人员计划进一步提高成像的分辨率，同时致力于开发低噪声的激光源，以便在更低的光照条件下实现更深的成像。
此外，他们还在开发能够响应图像并重建生物样本完整三维结构的算法，确保高分辨率成像。
从长远来看，研究人员希望将这项技术应用于实际场景，帮助生物学家实时监测药物反应，推动新药开发。
“通过实现深入组织的多模代谢成像技术，我们为科学家提供了前所未有的能力，使他们能够在自然状态下观察不透明的生物系统。我们很高兴与临床医生、生物学家和生物工程师合作，推动这一技术的边界，将这些发现转化为现实世界的医学突破。”You表示。
“这项工作令人兴奋，因为它采用了创新的反馈方法，在深层组织中成像细胞代谢，相较于现有技术，成像深度更大。这些技术还具备更快的成像速度，并已被用于揭示免疫细胞在血管中的运动及其独特的代谢动态。我预计，这些成像工具将在揭示细胞功能与代谢之间的联系，以及动态活体系统中的作用方面发挥重要作用。”Morgridge 研究所研究员 Melissa Skala 表示，她未参与该研究。
“通过依赖 NAD(P)H 自发荧光对比度，在更深层次、更快速地获取高分辨率的多光子图像，这项技术为研究一系列重要问题提供了新的可能性。”未参与该研究的塔夫茨大学生物医学工程教授 Irene Georgakoudi 补充道，“在评估代谢功能时，能够快速成像活体组织具有巨大的优势，因为它能够确保数据的生理相关性，采样有意义的组织体积，并监测快速变化。在癌症诊断或神经科学应用中，更深、更快的成像将使我们能够研究许多以前未曾探索过的活体组织中的问题和相互作用。”
本研究部分由 MIT 创业基金、美国国家科学基金会 CAREER 奖、MIT Irwin Jacobs和Joan Klein 总统奖学金以及 MIT Kailath 奖学金资助。
https://news.mit.edu/2024/noninvasive-imaging-method-can-penetrate-deeper-living-tissue-1211
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