城大學者研發超靈敏光聲顯微鏡 具廣泛生物醫學應用潛力
光學分辨率光聲顯微鏡(optical-resolution photoacoustic microscopy)是一種新興的生物醫學成像技術,用於研究多種疾病,例如癌症、糖尿病及中風。然而,其靈敏度不足窒礙了這種技術進一步應用。最近,香港城市大學(城大)的研究團隊便研發出一種多光譜、超低劑量的光聲顯微鏡,在靈敏度上取得突破,有助應用於將來的新型生物醫學及臨床轉化上。
光聲顯微鏡是一種生物醫學成像技術,揉合超聲波偵測及激光誘發的光聲信號,繼而產生出仔細的生物組織影像。背後原理是用脈衝激光照射生物組織,使生物組織誘發產生超聲波,然後將感測到的超聲波轉換成電信號用以成像。這項備受關注的技術可達至毛細管或亞細胞的分辨率水平,較傳統光學顯微鏡方法的分辨率更高。但是,靈敏度不足一直窒礙這項技術的發展,限制了它的更進一步廣泛應用。
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(图片来源︰ Zhang, Y. et al., source: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202302486)
城大生物醫學工程學系副教授王立代教授解說:「高靈敏度對於高品質成像至關重要,亦有助探測不太吸收光的色團(吸收特定光波長的分子),減少光漂白和光毒反應,降低對於脆弱器官生物組織的干擾,亦可從廣泛光譜中有更多低成本及低功率的激光選擇。」
他舉例補充說,低功率激光較適合用於眼科檢查,因為它更為安全和舒適;長期監測藥物動力學或血流量則需要低劑量成像,以減輕對組織功能的干擾。
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為解決上述靈敏度的難題,王教授及其研究團隊最近研發出多光譜、超低劑量的光聲顯微鏡( multi-spectral, super-low-dose photoacoustic microscopy,簡稱SLD-PAM),打破了傳統光學顯微鏡上的限制,顯著提升其靈敏度約33倍。
團隊通過結合光聲傳感器的改良設計及創新的4D光譜空間過濾演算法,實現今次技術上的突破。他們改良了傳感器的設計,包括使用實驗室自訂的高數值孔徑的聲學透鏡,並改善光學和聲學光束結合器,以及改善光學和聲學的對焦。多光譜超低劑量光聲顯微鏡(SLD-PAM)還採用了一種低成本的多波長脈衝激光,可提供從綠光到紅光11個波長的光譜。其激光運作的重複頻率可高達兆赫,而且光譜轉換時間在亞微秒級別。
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為展示SLD-PAM的意義及創新特點,團隊對它進行測試,以超低脈衝能量與綠光和紅光源,進行活體動物成像, 並且取得重大發現。
首先, SLD-PAM能產生高質素的活體解剖和功能成像。其超低激光能量及高靈敏度顯著地減低對動物的眼睛及腦部的干擾,為臨床應用帶來新曙光。其次,SLD-PAM可在不影響影像質素的情況下,通過降低激光能量,減少約85%光漂白,並可在成像中應用更多種弱吸收或低濃度的分子探針。此外,此技術的成本大幅減低,讓研究實驗室及臨床機構更易負擔。
王教授說:「多光譜超低劑量光聲顯微鏡能對生物組織進行非侵入性成像,對測試對象造成最小的損傷,為解剖、功能和分子成像提供一個強大且具前景的工具。我們相信此項技術可有助於許多新型生物醫學的應用,為臨床轉化開闢新道路。」
接下來,王教授及他的研究團隊將會利用SLD-PAM系統,對更多種的小分子和基因編碼的生物標記物進行生物成像測試。他們亦計劃採用更多類型的低能量光源,在更廣泛光譜上研發可穿戴式或可攜式的顯微鏡。
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上述研究成果已於科學期刊 《先進科學》(Advanced Science)上發表,題為〈Super-Low-Dose Functional and Molecular Photoacoustic Microscopy〉。
研究論文的共同第一作者是張雅超博士及陳江波博士;通訊作者是王教授。其他共同作者包括孫紅燕教授、張捷博士、劉超博士,及城大博士生朱敬褘。上述研究人員全部來自城大。
是次研究獲香港研究資助局及國家自然科學基金委員會撥款資助。