城大学者研发超灵敏光声显微镜 具广泛生物医学应用潜力
光学分辨率光声显微镜（optical-resolution photoacoustic microscopy）是一种新兴的生物医学成像技术，用于研究多种疾病，例如癌症、糖尿病及中风。然而，其灵敏度不足窒碍了这种技术进一步应用。最近，香港城市大学（城大）的研究团队便研发出一种多光谱、超低剂量的光声显微镜，在灵敏度上取得突破，有助应用于将来的新型生物医学及临床转化上。
光声显微镜是一种生物医学成像技术，揉合超声波侦测及激光诱发的光声信号，继而产生出仔细的生物组织影像。背后原理是用脉冲激光照射生物组织，使生物组织诱发产生超声波，然后将感测到的超声波转换成电信号用以成像。这项备受关注的技术可达至毛细管或亚细胞的分辨率水平，较传统光学显微镜方法的分辨率更高。但是，灵敏度不足一直窒碍这项技术的发展，限制了它的更进一步广泛应用。
城大生物医学工程学系副教授王立代教授解说：“高灵敏度对于高品质成像至关重要，亦有助探测不太吸收光的色团（吸收特定光波长的分子），减少光漂白和光毒反应，降低对于脆弱器官生物组织的干扰，亦可从广泛光谱中有更多低成本及低功率的激光选择。”
他举例补充说，低功率激光较适合用于眼科检查，因为它更为安全和舒适；长期监测药物动力学或血流量则需要低剂量成像，以减轻对组织功能的干扰。
（图片来源︰Zhang, Y. et al., source: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202302486）
为解决上述灵敏度的难题，王教授及其研究团队最近研发出多光谱、超低剂量的光声显微镜（multi-spectral, super-low-dose photoacoustic microscopy，简称SLD-PAM），打破了传统光学显微镜上的限制，显著提升其灵敏度约33倍。
团队通过结合光声传感器的改良设计及创新的4D光谱空间过滤演算法，实现本次技术上的突破。他们改良了传感器的设计，包括使用实验室自订的高数值孔径的声学透镜，并改善光学和声学光束结合器，以及改善光学和声学的对焦。多光谱超低剂量光声显微镜（SLD-PAM）还采用了一种低成本的多波长脉冲激光，可提供从绿光到红光11个波长的光谱。其激光运作的重复频率可高达兆赫，而且光谱转换时间在亚微秒级别。
为展示SLD-PAM的意义及创新特点，团队对它进行测试，以超低脉冲能量与绿光和红光源，进行活体动物成像，并且取得重大发现。
首先，SLD-PAM能产生高质素的活体解剖和功能成像。其超低激光能量及高灵敏度显著地减低对动物的眼睛及脑部的干扰，为临床应用带来新曙光。其次，SLD-PAM可在不影响影像质素的情况下，通过降低激光能量，减少约85%光漂白，并可在成像中应用更多种弱吸收或低浓度的分子探针。此外，此技术的成本大幅减低，让研究实验室及临床机构更易负担。
王教授说：“多光谱超低剂量光声显微镜能对生物组织进行非侵入性成像，对测试对象造成最小的损伤，为解剖、功能和分子成像提供一个强大且具前景的工具。我们相信此项技术可有助于许多新型生物医学的应用，为临床转化开辟新道路。”
接下来，王教授及他的研究团队将会利用SLD-PAM系统，对更多种的小分子和基因编码的生物标记物进行生物成像测试。他们亦计划采用更多类型的低能量光源，在更广泛光谱上研发可穿戴式或可携式的显微镜。
上述研究成果已于科学期刊《先进科学》（Advanced Science）上发表，题为〈Super-Low-Dose Functional and Molecular Photoacoustic Microscopy〉。
研究论文的共同第一作者是张雅超博士及陈江波博士；通讯作者是王教授。其他共同作者包括孙红燕教授、张捷博士、刘超博士，及城大博士生朱敬袆。上述研究人员全部来自城大。
本次研究获香港研究资助局及国家自然科学基金委员会拨款资助。