新型探针研发一直是各国学者研究的热点，通过开发、应用对给定生物标志物做出反应的探针，研究人员可以在疾病发生发展过程中对体内分子事件进行成像，这些信息可以提供有价值的细节，有助于疾病诊断和治疗监测。光声成像结合了光学成像的高对比度特性和超声成像的高穿透深度特性的优点，以超声探测器探测声波代替光学成像中的光子检测，从原理上避开了光学散射的影响，可以提供高对比度和高分辨率的组织影像，为研究生物组织的形态结构、生理特征、代谢功能、病理特征等提供了重要手段，同时满足现今小动物活体成像所需的“功能”和“结构”成像。iThera Medical作为光声成像领域的领导品牌，其研发的MSOT inVision 可以非侵入式的进行自动断层扫描图像采集，具有无可比拟的灵敏度、高时空分辨率和图像帧率，帮助捕获重要信息；多波长检测，强大的图像重建与分析功能，能够对生物组织生色团精准定位及定量，在新型探针开发领域为研究者提供强大影像平台。在此与大家分享MSOT inVision在新型探针开发方面的应用。在第一篇研究中，研究者报告了两个基于氧杂蒽的光声探针(C1X-OR1和C2X-OR2)，用于肝碱性磷酸酶（或β-半乳糖苷酶）的时间空间成像，用于评估和定位药物诱导的肝损伤（或转移性肿瘤）。C1X-OR1和C2X-OR2作为可激活的光声探针，分别用于肝损伤和转移性肿瘤成像。C1X-OR1用于通过对肝碱性磷酸酶ALP活性作出反应对药物诱导的肝损伤进行成像;而分子探针C2X-OR2旨在通过感测β-半乳糖苷酶的活性对转移性肿瘤进行成像，探针体内响应示意图见图1。
该研究使用对乙酰氨基酚诱导小鼠肝损伤，然后静脉注射脂质体C1X-OR1，之后采用MSOT技术通过对肝磷酸酶活性变化的成像来检测药物诱导的肝损伤，在肝损伤小鼠的ROI中检测到光声信号证明了探针对组织的辨别能力，以单波长（800nm）图像作为解剖学参考，可与探针的光声信号进行merge，数据分析得到肝损伤小鼠肝区ROI在不同时间点的平均光声强度；在注射脂质体探针前和注射30分钟后，获取肝损伤小鼠的正交最大强度投影(MIP)图像；对探针注射30分钟后不同剂量APAP预处理小鼠进行MSOT成像和量化。该探针是一种用于检测肝ALP的双模探头，荧光成像结果也证明光声信号的增加是由于肝ALP活性的上升。此外，该研究还使用蛋白质印迹分析、HE染色，实验结果表明MSOT强度与肝损伤的严重程度直接相关。所有这些结果表明，MSOT可以通过时间和空间方式检测肝损伤引起的肝磷酸酶水平升高。
  为了探索探针在治疗过程中跟踪肝脏康复的能力，每天使用解毒剂喂养小鼠，在药物治疗过程中，肝脏区域的光声信号逐渐减弱。荧光成像给出了与光声实验相似的结果，HE染色，TUNEL染色验证了实验结果的一致性（图3）。
  该研究还在小鼠的左腋窝区域皮下注射卵巢细胞，然后在一定时间后进行瘤内注射C2X-OR2，结果表明，MSOT和荧光模式都可以对卵巢细胞注射结果的异种移植肿瘤进行成像。为了模拟卵巢癌向腹腔的转移，将卵巢癌细胞注射到雌性裸鼠的腹腔中，并在几周后通过腹腔内注射C2X-OR2进行光声成像。注射后3周，腹腔内可观察到2个光声信号小点；而6周后可以看到更多更大的斑点，更重要的是，每个时间点的MIP图像可以准确确定小鼠腹腔内转移肿瘤的位置，而无法通过荧光成像清楚地观察到腹腔中小而深的转移肿瘤。这项研究中，证明了探针C2X-OR2能够通过MSOT成像检测和定位转移性卵巢肿瘤。另一方面，采用MSOT和荧光成像来检测通过淋巴管从原发肿瘤到淋巴结的转移，6周后，可以清楚地观察到原发肿瘤和肿瘤细胞侵入的前哨淋巴结（图4）。
  另一项研究是研发了适用于NIR-II荧光和光声成像的双模探头：H2O2活化的双模态纳米探针BTPE-NO2@F127，用于诊断间质性膀胱炎和肝脏缺血再灌注损伤。间质性膀胱炎是一种以骨盆疼痛、尿频、尿急为特征的膀胱炎症性疾病。很难诊断，因为目前没有具体的临床测试来诊断这种疾病，因此通常是在排除其他疾病的情况下诊断出来的。在间质性膀胱炎的情况下，膀胱中存在包括H2O2在内的活性氧的增加，因此H2O2可以作为该疾病的原位生物标志物。该研究中腹腔注射不同剂量的环磷酰胺建立间质性膀胱炎小鼠模型，将纳米探针注射到小鼠体内进行NIR-II荧光成像和MSOT成像，结果表明荧光强度随时间逐渐增加，并在注射后约90分钟内信号达到最大值，HE染色结果表明模型组有相应的病理损伤（图5、6）。
    在曲唑酮诱导的肝损伤小鼠模型中，随着药物剂量增大，荧光信号和光声信号增强，并且组织病变程度增加（图7）。
在上面介绍的2个研究中，iThera光声成像系统提供了高时空分辨率、断层扫描、图像重建及分析、光谱拆分等应用优势，能够对生物组织内的生色团精准定位及定量，助力新型探针研发。
 
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