無需開顱！三維光聲超聲顯微技術(shù) 突破7毫米深度成像

本研究成果由Ludmila A.Kasatkina, Chenshuo Ma, Huaxin Sheng, Matthew Lowerison, Luca Menozzi, Mikhail Baloban, Yuqi Tang, Yirui Xu, Lucas Humayun, Tri Vu, Pengfei Song, Junjie Yao & Vladislav V.Verkhusha 團(tuán)隊(duì)完成。相關(guān)論文以 《Deep-tissue high-sensitivity multimodal imaging and optogenetic manipulation enabled by biliverdin reductase knockout》 為題，于 2025年7月在 《Nature Communications》 正式發(fā)表。

重要發(fā)現(xiàn)
01基因敲除模型增強(qiáng)光學(xué)探針性能
研究團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建Blvra⁻/⁻小鼠模型，阻斷膽綠素（Biliverdin, BV）向膽紅素的轉(zhuǎn)化通路，使內(nèi)源性BV濃度顯著升高。BV是細(xì)菌光敏色素（Bacterial Phytochromes, BphPs）的關(guān)鍵近紅外生色團(tuán)，其濃度提升使BphPs衍生探針（如DrBphP-PCM、miRFP720）的熒光強(qiáng)度與光切換效率大幅增強(qiáng)：

神經(jīng)元成像：在Blvra⁻/⁻小鼠腦部，DrBphP-PCM的光切換效率提升至30%（野生型僅8%），光聲信號(hào)對(duì)比噪聲比（CNR）達(dá)615（野生型為67），提升近10倍（p=0.0146）。

雙光子顯微突破：利用1280 nm激發(fā)光，miRFP720標(biāo)記的神經(jīng)元在Blvra⁻/⁻腦中成像深度達(dá)2.2毫米，分辨率達(dá)單細(xì)胞水平（野生型僅1.3毫米），信號(hào)強(qiáng)度提升2.5倍（p=0.0096）。

超聲定位顯微（ULM）：追蹤血管內(nèi)微氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡，以40微米分辨率繪制血管網(wǎng)絡(luò)（較傳統(tǒng)超聲提升10倍）。

該系統(tǒng)成功應(yīng)用于：

腦深部成像：在完整頭皮與顱骨覆蓋下，對(duì)海馬體、紋狀體、下丘腦（深度7 mm）的神經(jīng)元進(jìn)行同步成像與血管測(cè)繪。

腫瘤與器官成像：在肝臟、脾臟及乳腺癌移植瘤（4T1模型）中，BphP1探針信號(hào)CNR提升2.3倍（p=0.0134），腫瘤內(nèi)部信號(hào)分布更均勻。

細(xì)胞實(shí)驗(yàn)：HeLa細(xì)胞經(jīng)光誘導(dǎo)（660 nm）后，胰島素分泌量達(dá)3.1 μg·L⁻¹（黑暗環(huán)境無分泌）。

動(dòng)物治療：在鏈脲佐菌素（STZ）誘導(dǎo)的糖尿病模型中，光激活肝臟胰島素表達(dá)使Blvra⁻/⁻小鼠血糖降至9.26 mM（達(dá)正常范圍），顯著優(yōu)于野生型（12.93 mM, p<0.005）。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01突破深層成像技術(shù)瓶頸
傳統(tǒng)光學(xué)成像（如雙光子顯微）受限于組織散射，有效深度僅1–2毫米。本研究通過兩項(xiàng)革新實(shí)現(xiàn)突破：

內(nèi)源生色團(tuán)調(diào)控：Blvra⁻/⁻模型將BV利用率提升至近100%，解決了腦部等低BV器官的探針激活難題。

多模態(tài)協(xié)同：3D-PAULM系統(tǒng)結(jié)合光聲的分子特異性與超聲的血管分辨力，首次在無需開顱下實(shí)現(xiàn)全腦尺度成像。

轉(zhuǎn)化潛力：BV為人體內(nèi)源分子，Blvra部分缺失病例（如高膽綠素血癥）已證實(shí)安全性，技術(shù)臨床轉(zhuǎn)化風(fēng)險(xiǎn)低。

總結(jié)與展望
本研究通過Blvra⁻/⁻基因敲除模型與3D-PAULM多模態(tài)成像系統(tǒng)，攻克了深層組織光學(xué)檢測(cè)與操控的核心難題——內(nèi)源生色團(tuán)利用率不足與背景噪聲干擾。實(shí)驗(yàn)證明，該技術(shù)可在完整生物體內(nèi)實(shí)現(xiàn)：7毫米深度的神經(jīng)元成像；單細(xì)胞分辨率的腦部雙光子成像；近紅外光控的糖尿病精準(zhǔn)治療。

未來發(fā)展方向包括：

技術(shù)優(yōu)化：提升3D-PAULM成像速度，適配動(dòng)態(tài)生理過程監(jiān)測(cè)；開發(fā)新型BphP衍生探針（如鈣離子傳感器），拓展功能維度。

臨床轉(zhuǎn)化：探索Blvra調(diào)控在新生兒黃疸治療中的協(xié)同應(yīng)用；推動(dòng)光遺傳胰島素療法向大型動(dòng)物模型驗(yàn)證。

平臺(tái)拓展：結(jié)合人工智能算法，實(shí)現(xiàn)跨尺度數(shù)據(jù)融合（分子-細(xì)胞-器官），為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)提供全息視圖。

該研究標(biāo)志著“深部生物窗口” 的正式開啟，為理解生命機(jī)制與干預(yù)疾病開辟了全新路徑。

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。

Kasatkina LA, Ma C, Sheng H, Lowerison M, Menozzi L, Baloban M, Tang Y, Xu Y, Humayun L, Vu T, Song P, Yao J, Verkhusha VV. Deep-tissue high-sensitivity multimodal imaging and optogenetic manipulation enabled by biliverdin reductase knockout. Nat Commun. 2025 Jul 14;16(1):6469. 

DOI:10.1038/s41467-025-61532-4.