微血管网络承载着氧气输送、免疫监视、代谢废物清除等核心生理功能，不同血细胞的动态行为是解析机体生理调控与疾病发生机制的关键线索，但现有成像技术普遍难以在深部活体组织中同时实现高时空分辨率的单细胞追踪与多细胞亚型区分。本研究通过优化近红外染料标记方案，为红细胞与中性粒细胞赋予了光谱可区分的光声信号特征，首次在活体小鼠深部脑血管网络中实现两种血细胞的同步无创追踪，结合定位光声断层成像达成超分辨成像效果，揭示了不同细胞在不透明组织内的流速差异。研究进一步验证了临床常用染料在近红外二区的弥散光学定位成像能力，并通过负载超顺磁纳米颗粒实现微循环的无创磁操控与可逆性血管闭塞，搭建起单细胞水平血管研究的多模态技术平台。
 

该研究由Lin Tang、Quanyu Zhou 等学者完成，Daniel Razansky 与 Xosé Luís Deán-Ben 担任通讯作者，论文题为 Multiplexed optoacoustic tracking and magnetic actuation of labeled blood cells in living mice，于 2026年6月发表于 Science Advances。

重要发现
01光谱差异化的血细胞标记技术
为实现多路复用的单细胞成像，研究团队建立了针对不同血细胞的近红外染料标记流程，选取吲哚菁绿（ICG）与 DiR 两种吸收光谱无重叠的近红外染料，分别对红细胞与中性粒细胞进行细胞膜标记。优化后的标记方案可在不改变细胞形态的前提下，实现高效的染料负载：红细胞的 ICG 标记效率可达 89.2±1.9%，单细胞染料分子负载量约 (1.5±0.29)×10^8 个；DiR 标记效率可达 95.1±0.59%，单细胞负载量约 (1.7±0.31)×10^8 个。中性粒细胞的 ICG 与 DiR 标记效率分别为 64.8±5.2% 与 71.5±7.0%，单细胞染料负载量分别可达 (3.7±0.21)×10^9 个与 (2.4±0.79)×10^10 个。

用近红外染料标记血细胞

通过吸收光谱与光声光谱的双重验证，标记后的细胞保留了染料本身的特征吸收峰：DiR 标记细胞在约 750nm 处存在尖锐吸收峰，ICG 标记细胞则在约 800nm 处呈现更宽的吸收带，且光声信号强度与吸收光谱高度吻合，为后续光谱区分成像提供了稳定的对比度基础。此外，标记细胞的光声信号在千次脉冲激光照射下仍能保持足够的稳定性，可满足多帧成像与追踪的时长需求。

ICG标记的红细胞的全脑超分辨率OA成像

除结构成像外，研究通过追踪连续帧间标记细胞的三维位移，计算得到全脑皮层的血流速度图谱，可分辨不同血管的流速差异与血流方向，同时能提取血管直径、血管长度、连接点数量等形态学参数，实现脑血管网络的形态与功能一体化定量表征。该成像方案的时间分辨率可达4 秒，可捕捉血流速度的动态变化。

光谱特异性标记的红细胞和中性粒细胞的多重OA成像

将ICG 标记红细胞与 DiR 标记中性粒细胞混合注射后，该方法可在同一脑区分别重建两种细胞的血流速度图谱，定量结果显示中性粒细胞在微血管内的流速显著低于红细胞，首次在深部活体组织中直观揭示了不同血细胞的动力学差异。

实验通过颅窗模型对小鼠皮层进行成像，在注射后 40 分钟仍可检测到清晰的单细胞信号，经背景去除与定位算法重构后，得到的微血管图像分辨率远高于传统宽场荧光成像，可分辨毛细血管级的微细血管结构，同时能完成流速与血流方向的定量测绘。该方法采用已获临床批准的 ICG 作为对比剂，为后续的临床转化提供了更高的可行性。

近红外二区窗口下吲哚菁绿标记红细胞的荧光定位成像

05磁控血细胞的实时监测与血管闭塞建模
为拓展成像平台的功能边界，研究将聚多巴胺包覆的超顺磁四氧化三铁纳米颗粒与染料标记血细胞结合，通过简单共孵育即可使纳米颗粒附着于细胞膜，赋予血细胞磁响应特性，且不会破坏细胞的原有形态与变形能力。体外实验验证了磁控效果后，研究在小鼠耳部血管中开展了在体验证：施加外磁场后，标记红细胞的流动速度显著减慢，细胞在血管分支处发生聚集，原本难以成像的细小分支血管因细胞富集而可被清晰重构，证明外磁场可调控血细胞在微血管网络中的分布。

进一步研究将该技术应用于缺血性中风模型构建：在小鼠大脑中动脉区域施加外磁场，可诱导磁标记红细胞在局部微血管中聚集并形成血管闭塞，24 小时后可观察到明确的脑梗死病灶；移除磁场后血管可实现再通，证明该闭塞具有可逆性。单独注射磁标记细胞或单独施加磁场均无法引发血管闭塞与组织损伤，验证了该模型的可控性与特异性。

体外及体内ICG标记红细胞的磁驱动

磁诱导血管闭塞模型

创新与亮点
本研究突破了深部活体组织中单细胞多路成像的核心瓶颈，解决了传统光学成像深度不足、现有断层成像分辨率与多通道成像能力有限的双重难题。研究首次提出基于内源性血细胞的光声定位成像标记方案，替代传统外源性微颗粒，降低了生物安全风险；建立的双波长光谱区分方法，首次实现了深部微血管中红细胞与中性粒细胞的同步追踪与流速差异定量。此外，研究验证了临床批准染料在近红外二区的光学定位成像能力，拓展了弥散光学定位成像的转化潜力。该技术平台将超分辨成像、多细胞亚型功能分析与磁控操控相结合，可应用于脑微循环机制研究、缺血性中风疾病建模、靶向药物递送验证等场景，为微血管生理与病理研究提供了单细胞精度的多模态研究工具。

总结与展望
研究建立了光谱可区分的血细胞标记方法，实现了活体深部组织中多类型血细胞的单细胞分辨光声与荧光定位成像，并结合磁控技术完成了可控的血管闭塞建模，为微血管研究提供了多功能的成像与操控平台。未来，通过提升激光重复频率、引入深度学习重建算法可进一步提高成像速度与分辨率，更多细胞类型的标记方案与磁标记细胞的长期生物安全性仍有待深入研究，推动该技术向临床应用方向发展。

doi: 10.1126/sciadv.aec8985.