光声成像

p style=" text-align: justify " 　　近日，国际学术期刊Nano Letters 在线发表了中国科学技术大学化学与材料科学学院教授梁高林课题组的研究成果，文章标题为Alkaline Phosphatase-Triggered Self-Assembly of Near-Infrared Nanoparticles for the Enhanced Photoacoustic Imaging of Tumors。该文章报道了一种碱性磷酸酶控制的近红外纳米粒子的自组装用于光声成像信号放大的策略，并在动物肿瘤模型上显示了光声成像信号明显放大的效果 /p p style=" text-align: justify " (Nano Lett. 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03482)。 /p p style=" text-align: justify " 原文链接： a href=" https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b03482" target=" _blank" https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b03482 /a /p p style=" text-align: justify " 　　光声技术对浅表肿瘤的成像具有很高的空间分辨率。然而，利用肿瘤高表达的碱性磷酸酶来激活探针用于肿瘤的光声成像并没有文献报道。梁高林课题组合理设计了一种化学结构式为1P的近红外探针，同时提出了一种碱性磷酸酶控制的、肿瘤细胞内自组装近红外纳米粒子用于肿瘤的增强光声成像策略(见下图)。研究发现1P在碱性磷酸酶的作用下生成去磷酸化的产物1，1被肿瘤细胞摄取后自组装形成纳米粒子从而增强肿瘤的光声成像信号。他们与苏州大学合作，发现纳米粒子的形成在体外会使光声成像信号增大6.4倍。体内肿瘤光声成像结果表明，与碱性磷酸酶抑制剂处理的对照组相比，实验组的肿瘤光声成像信号增强了2.3倍。需要指出的是，如果把1P中的Phe-Phe-Tyr(H2PO3)-OH片段换成其他酶切序列，采用这个策略可以发展出更多的“智能”光声成像探针用于精准诊断他们相对应的癌症。 /p p style=" text-align: justify " 　　文章的共同第一作者为中国科大化学与材料科学学院博士生吴澄帆和苏州大学纳米学院硕士生张瑞，梁高林为最后通讯作者。 /p p style=" text-align: justify " 　　该研究得到国家重点研发计划、国家杰出青年科学基金以及基金委创新研究群体项目的资助。 /p p style=" text-align: center " img title=" 640.webp.jpg" alt=" 640.webp.jpg" src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/c88d2cec-2912-4e58-a05f-35df3c0f531f.jpg" / /p p style=" text-align: center " 中国科大等在肿瘤光声成像研究中取得新进展 /p

“光学分辨率”光声显微镜是一种新兴的生物医学成像技术，可用于癌症、糖尿病和中风等多种疾病的研究工作。但是灵敏度不足，一直是其获得更广泛应用的长期障碍。据麦姆斯咨询报道，近期，香港城市大学（CityU）的一支研究团队开发出一种多光谱、超低剂量的光声显微镜（SLD-PAM）系统，该系统的灵敏度极限得到了显著提高，为未来新的生物医学应用和临床转化提供了可能，相关研究成果以“Super-Low-Dose Functional and Molecular Photoacoustic Microscopy”为题发表于Advanced Science期刊。多光谱光声显微镜系统及其灵敏度增强示意图光声显微镜结合了超声波检测和激光诱导光声信号，以创建生物组织的详细图像。当生物组织被脉冲激光照射时会产生超声波，然后超声波被检测并转换为电信号用于成像。与传统的光学显微镜方法相比，这种新颖的技术可以在更大的深度上实现毛细管水平或亚细胞级别的分辨率。然而，灵敏度不足阻碍了该技术的更广泛应用。“高灵敏度对于高质量成像很重要。它有助于检测不强烈吸收光的发色团（通过吸收特定波长的可见光赋予材料颜色的分子）。它还有助于减少光漂白和光毒性，减少对脆弱器官生物组织的干扰，并在宽光谱范围内提供更多可选的低成本、低功率激光器。”香港城市大学生物医学工程系Wang Lidai教授解释道。例如，在眼科检查中，为了更安全和舒适，优选低功率激光器。他补充称，对于药代动力学或血流的长期监测，需要低剂量成像以减轻对组织功能的干扰。为了克服灵敏度挑战，Wang Lidai教授及其研究团队最近开发了一种多光谱、超低剂量的光声显微镜系统，突破了传统光声显微镜的灵敏度极限，将灵敏度显著提高了约33倍。他们通过光声传感器设计的改进，结合用于计算的4D光谱空间滤波器算法，实现了这一突破。研究人员通过使用实验室定制的高数值孔径声透镜、优化光学和声学波束组合器，以及改进光学和声学对准来改进光声传感器的设计。该光声显微镜系统还利用低成本的多波长脉冲激光器，提供从绿光到红光的11种波长。其激光器以高达兆赫的重复频率工作，光谱切换时间为亚微秒级。超低剂量照明下的血管形态提取为了证明光声显微镜系统的重要性和新颖性，该研究团队通过绿光和红光光源的超低脉冲体内动物成像，对其进行了全面的系统测试，并得到了显著的成果。首先，该光声显微镜系统能够实现高质量的体内解剖和功能成像。超低的激光功率和高灵敏度，显著地减少了眼睛和大脑成像的干扰，为临床转化铺平了道路。其次，在不影响图像质量的情况下，该光声显微镜系统较低的激光功率，将光漂白减少了约85%，并能够使用范围更广的分子和纳米探针。此外，该系统成本显著降低，使研究实验室和诊所更能负担得起。Wang Lidai教授说道：“该光声显微镜系统能够在对受试者损伤最小的情况下，对生物组织进行非侵入性成像，为解剖、功能和分子成像提供了一种强大而有前景的工具。我们相信该光声显微镜系统有助于推进光声成像的应用，实现许多新的生物医学应用，并为临床转化铺平新的道路。”接下来，Wang Lidai教授及其研究团队将利用该系统在生物成像中测试更广泛的小分子和基因编码生物标志物。他们还计划在宽光谱中试验更多类型的低功率光源，以开发可穿戴或便携式光声成像显微镜。论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202302486

近年来，光学成像技术如荧光分子成像、光声成像和生物发光成像等广泛应用于小动物活体成像。同时，多模态成像技术的兴起将多种成像技术结合，为小动物活体成像提供了更精确和信息丰富的工具。为帮助广大用户及时了解小动物活体成像前沿技术、产品与整体解决方案，仪器信息网特别策划“小动物活体成像技术”主题征稿活动。本期约稿特别邀请广东光声科技有限公司CEO兼联合创始人王巍博士，就小动物活体成像技术发展、市场规模及未来趋势进行分享，并就广东光声科技研发的光声多模态小动物成像技术展开阐述，以飨读者。 本期嘉宾：王巍 CEO/联合创始人 广东光声科技有限公司王巍博士，广东光声科技有限公司CEO/联合创始人。2018年至今，就读于华南师范大学激光生命科学教育部重点实验室。从事光声成像仪器开发与落地转化，深度参与多项前沿科技项目，在光声成像技术上有多年持续的积累。2022年至今，作为广东光声科技有限公司的创始人之一，参与转化专利10余项，开发了全新的光声多模态小动物成像仪，具有丰富的产学研落地转化经验。仪器信息网：选择小动物活体成像技术赛道创业契机是什么？王巍：光声成像技术已经经过数十年的沉淀，但市场上仍没有相关成熟的光声显微活体成像仪器转化，前期已有非常多的高校和医院电话咨询我们团队，想与我们在科研领域深入合作，有一定的潜在市场空间，加之学校团队已经在这个领域积累多年，拥有非常丰富的仪器开发经验，我们已经是站在巨人的肩膀上做事，所以决定将已经积累的技术转化到市场上应用。光声成像由于它独特的成像优势，非常适合活体成像，我们是临床和科研小动物活体成像并驾齐驱在做，但由于临床转化时间较长，又由于科研市场的迫切需求，所以我们率先开发了光声多模态小动物成像系统，积累市场口碑。仪器信息网：从学生到创业者的身份转变感受如何？王巍：学生是生活在象牙塔里边的一类人群，可以不断试错，背后有导师和学校在托举，可以犯错，可以不断积累经验。但创业者是走在“刀尖”上的一类人，在资金有限的情况下，需要准确判断、坚定执行、承担后果。所以大多数创业者都会觉得创业难，所以需要不忘初心，保持热情，在已经竞争得白热化的相关赛道里，找到自己的出路，或是直线超车，或是弯道超车。具体来说有两难：对于一项新的医疗影像技术面世来说，首先就是大多数创业者所说的“难”，而我们是“难上加难”。我们的技术既具有颠覆性、又具有时效性，一项新的医疗影像技术走向成熟有很长的路要走，他既需要重新建立诊断标准又需要颠覆原有影像诊断的方法和习惯，这是第一难。第二难就是，资金雄厚的大厂要追逐我们的进度甚至赶超我们的进度，我们守擂难，同时我们也面临着国外品牌原有市场的竞争，我们打擂难。仪器信息网：请介绍一下小动物活体成像技术的发展历史。王巍：小动物活体成像技术的发展经历了几个关键阶段。在20世纪50年代到70年代，研究人员开始利用X线和放射性同位素示踪技术对小动物进行成像。随后，20世纪80年代后期，放射性示踪技术的进展引入了PET和SPECT等新方法。到了20世纪90年代以后，生物荧光分子标记技术如荧光素二酮-荧光素酶体系的开发，为研究人员提供了检测生物标记物的荧光信号来研究小动物体内生物进程的能力。近年来，光学成像技术如荧光分子成像、光声成像和生物发光成像等广泛应用于小动物活体成像。同时，多模态成像技术的兴起将多种成像技术结合，为小动物活体成像提供了更精确和信息丰富的工具。这些进展使得小动物活体成像技术成为研究人员观察小动物体内生理、病理过程和药物疗效等方面的重要非侵入性和高分辨率工具。仪器信息网：请分析下当前全球及中国小动物活体成像分析系统市场规模及现状。王巍：小动物活体成像技术是指应用成像方法对活体状态下的组织、细胞、分子水平的生物过程进行定性和定量研究。根据最新调研报告显示，预计2029年全球小动物活体成像系统市场规模将达到1.48亿美元，未来几年年复合增长率CAGR为4.1%。全球范围内小动物活体成像系统生产商主要包括Perkin Elmer、Idexx Laboratories、Aspect Imaging、Fujifilm Visualsonics、Trifoil Imaging、Bruker、Photon、Sunny Optical、Spectral Instruments Imaging、MILABS等。2022年，全球前五大厂商占有大约54.0%的市场份额。目前，全球核心厂商主要分布在欧美地区。就产品类型而言，目前光学成像是最主要的细分产品，占据大约66%的份额。就需求来源而言，目前实验室是最主要的需求来源，占据大约78%的份额。仪器信息网：如何看待小动物活体成像技术的壁垒以及国产化替代？王巍：技术壁垒主要集中在以下几个方面：1. 技术创新：小动物活体成像技术发展较为成熟，因此企业需要在技术上进行创新，开发更加先进、创新的成像技术和仪器。2. 设备制造：小动物活体成像仪器制造较为复杂，根据不同的成像技术需要采用不同的材料和工艺，如何保证设备质量和稳定性是制造方面需要考虑的重要问题。3. 市场定位：小动物活体成像市场规模较小，且市场需求不稳定，企业需要准确把握市场动态和技术趋势，发掘更多的市场机会。针对小动物活体成像国产化替代的问题，对于国产企业而言：1. 技术创新：通过技术创新和开发新型成像技术，提升设备分辨率、灵敏度和深度等性能指标，满足不同用户的实验需求。2. 降低成本：加强设备制造流程优化和效率提升，提高设备制造质量和效率，并且适当降低设备价格，提高市场竞争力。3. 市场营销：积极开展市场调研和推广，抓住市场机遇，开拓新的市场空间，根据市场需求提供个性化解决方案。总的来说，小动物活体成像市场仍处于初级发展阶段，市场空间较小，但在科研、药物开发等领域具有广阔的应用前景。通过技术创新和市场拓展，国产企业有望在小动物活体成像领域取得更大的突破。仪器信息网：如何看待当前中国小动物活体成像仪器市场，随着国产初创创新企业的不断涌现，应该如何进行差异化竞争？王巍：当前中国小动物活体成像仪器市场呈现出持续增长的趋势，随着国内初创企业的兴起，市场竞争也日益激烈。在面对这种情况下，差异化竞争是一种有效的策略。技术创新：通过不断进行技术创新，提供更加先进、创新的成像技术和仪器。例如，开发更高分辨率、更高灵敏度的成像设备，探索新的成像模式和应用领域，以满足用户的不同需求。产品特色：打造独特的产品特色和品牌形象，例如独特的设计风格、人性化的操作界面、多样化的附加功能等，以吸引用户的关注并增强产品竞争力。客户定制化：积极倾听客户需求，提供个性化的解决方案和服务。与客户密切合作，了解其实验需求并根据其特定需求进行定制开发，建立长期良好的合作关系。服务体验优化：注重客户体验，提供全方位的售前、售中和售后服务。包括产品培训、技术支持、设备维护等，以提升客户的满意度和忠诚度。仪器信息网：目前贵司主推的小动物活体成像产品有哪些？并谈谈该产品的核心竞争力。王巍：作为光声科技最核心的产品技术，光学/光声/超声三模态成像是集合了光学显微成像，⾊素、⾎管等内源性光吸收物质的光声成像，以及声阻抗差异的超声成像于⼀体的三模态活体⼩动物成像系统。光声科技更多核心技术优势如下：1、 实现微⽶级分辨率@毫⽶级成像深度在⽆需造影剂的情况下，仍然可以对3 mm内的组织结构进⾏微⽶级的⾼分辨率成像，并根据软件实时显⽰调整焦点的位置。2、强大的三维图像信息逐层解析功能通过实时⼆维断层数据的显⽰叠加，进⼀步获取局部组织的三维结构图像，使⽤数据处理软件，可进⼀步对⼆维以及三维图像进⾏分析。3、可实现⽆创⾮标记成像成像部位只需要涂抹少量⽔（耦合剂）对信号进⾏匹配，⽆需注射造影剂即可实现测试部位的⽆创成像。4、专属加热-麻醉⼀体化⼩动物固定台专⻔为更好的保护模型动物⽽设计的加热-⿇醉⼀体化装置。5、可定制光源的成像系统光声科技可根据不同需求，定制相应单波⻓，多波长，可调谐波⻓光源的成像系统。仪器信息网：光声科技小动物活体成像分析系统主要应用哪些领域的哪些实验环节？有哪些代表性用户单位？王巍：光声多模态小动物成像仪适用于广泛的生物医学研究领域，包括但不限于：1、肿瘤生长过程监控 应⽤光声多模态⼩动物成像仪，实现了小鼠耳部肿瘤滋养血管生长情况的监控，验证了肿瘤滋养血管的弯曲度、密度、深度与肿瘤生长时间的关系。 2、 肿瘤治疗过程监控应⽤光声多模态⼩动物成像仪，实现了小鼠部肿瘤光动⼒ (PDT)治疗过程中滋养⾎管消融情况的监控，揭示了肿瘤滋养⾎管的弯曲度、密度深度与PDT治疗时⻓的关系。3、⼩动物脑功能成像应用光声多模态⼩动物成像仪，实现了小鼠部深处血管“缺血-再灌注”的动态监控，展⽰了本仪器在脑血管理基础研究中的⼴阔应⽤前景。4、评估皮损血供程度应用光声多模态⼩动物成像仪，实现了小鼠全腿及背部⾎供程度的评估，突破了影像技术对于评估损伤组织⾎供程度的瓶颈，提高了快速手术干预的可能性。5、活体动物虹膜、巩膜成像应用光声多模态⼩动物成像仪，能够实现对活体⼩动物 (如小鼠) 及⼤动物(如兔)眼部虹膜及巩膜⾎管⽹成像。6、 特殊波⻓的肿瘤特异性光声成像 (定制版) 可定制光声多模态⼩动物成像仪，利⽤特异性纳⽶探针，针对性的提高肿瘤区域对于特殊波长光声成像信号幅值，实现大深度、⾼灵敏度的肿瘤特异性光声成像。此外，更多应用如乳房肿瘤标本⽆标记成像；早期⿊⾊素瘤肝微转移的⽆标记成像；动态监测缺⾎性脑卒中早期的结构和功能变化；对缝合损伤前后活体⼤⿏眼的多模态成像观测；活体动物视⽹膜、脉络膜、虹膜、巩膜成像；肝脏中细胞的标记成像...... 目前光声多模态小动物成像技术已协助北京科技大学、北京理工大学、浙江大学第一附属医院、海南大学、广东省人民医院、广州医科大学附属六院、香港理工大学、赣南医学院等十余家科研院所与医院完成了相应的科学研究。仪器信息网：请点评小动物活体成像技术路线的各自差异、特点和优势？王巍：不同的方法在成像原理和方法上有着独特的差异，每种技术路线都拥有其独特的优势和适用领域。非侵入性成像技术（如X光/CT、MRI）：- 特点：非侵入性成像技术通过引入无创成像方法，可以提供高分辨率的解剖结构图像。这些方法依赖于动物体内对X射线或磁场的响应来生成图像。- 优势：非侵入性成像技术对于观察和分析小动物器官和组织的解剖结构非常有帮助。它们能够提供三维图像，从而促进对生物学结构和病理变化的研究。荧光成像技术（如荧光分子成像、荧光蛋白成像）：- 特点：荧光成像技术通过标记生物分子或细胞，利用其自发发光或与特定荧光探针的相互作用，实现对生物活性和荧光信号的直接可视化。- 优势：荧光成像技术具有高灵敏度、实时成像和多模态成像的能力。这些技术在研究生物过程、疾病发展和药物疗效等方面非常有用。核素成像技术（如PET、SPECT）：- 特点：核素成像技术利用放射性同位素标记分子，并检测其放射性信号来获得图像。这些技术侧重于分析生物分子的生物分布和代谢过程。- 优势：核素成像技术具有高灵敏度、定量性和组织穿透能力。这些特点使它们在研究生物分子的动力学和代谢过程方面发挥重要作用。光声成像技术：- 特点：光声成像技术结合了超声波和光学相互作用，实现了显微镜级的分辨率和组织深度成像。该技术通过检测生物组织对激光脉冲的吸收来生成图像。- 优势：光声成像技术具有高对比度、高分辨率、无创和实时成像等优势。这些特点使其在研究血流动力学、肿瘤学和神经科学等领域有广泛应用。王巍认为，研究人员需根据其研究目标和需求选择适合的成像技术，同时多种技术的结合也可以提供更全面的图像信息，进一步加深对生物过程和疾病机制的理解。仪器信息网：未来小动物活体成像技术发展趋势如何？最看好哪些应用细分？王巍：未来小动物活体成像技术有望在以下方面取得进一步的发展：首先是多模态成像：未来的发展趋势之一是将不同的成像技术进行整合，实现多模态成像。多模态成像可以提供更丰富的信息，帮助研究人员深入研究生物过程和疾病机制。第二，基于机器学习的图像分析：随着机器学习和人工智能的快速发展，将其应用于小动物活体成像图像的分析将成为未来的重要方向。通过训练算法来自动分析和解释图像数据，有助于减少主观误差和提高研究效率。第三，高分辨率和实时成像：未来的成像技术将不断追求更高的分辨率和更快的成像速度。这将使研究人员能够观察动态生物过程和细微的结构变化。还有就是分子成像：分子成像是一种可以直接可视化和研究生物分子活动的技术。将分子成像与其他成像技术相结合，可以实现对生物分子的定量分析和动态跟踪，从而深入理解生物过程和疾病机制。在应用细分上，以下几个领域可能受益于小动物活体成像技术的发展：① 癌症研究：小动物活体成像技术在肿瘤生长、转移、治疗效果评估等方面具有重要应用。未来的发展将促进对肿瘤的早期检测、动态监测以及个体化治疗的研究。② 药物研发：活体成像技术可以在研发新药过程中发挥关键作用，帮助评估药物在动物体内的分布、代谢和药效，以及药物对疾病模型的治疗效果。③ 神经科学：小动物活体成像技术对于研究脑神经回路、神经变性和神经药理学等方面具有重要意义。未来的发展将推动对大脑功能和疾病机制的深入了解。④ 免疫学研究：小动物活体成像技术可以帮助研究人员观察和评估免疫细胞的活动和相互作用。这对于理解免疫系统的功能和疾病中的免疫反应具有重要意义。但需要注意的是，以上仅为一些可能受益于小动物活体成像技术发展的应用细分，具体的发展趋势和应用领域还需要进一步的研究和实践验证。仪器信息网：贵司小动物活体成像分析系统的发展历程是怎样的？有哪些里程碑事件？王巍：广东光声科技有限公司（下简称光声科技）成立于2022年，技术来源于华南师范大学激光生命科学教育部重点实验室，公司的研发团队有着十余年的光声成像设备研发经验，50%以上具有相关学科博士学位。光声科技专注于光声成像科研与医疗设备的科技成果转化与落地，现拥有单波长（532 nm）、双波长（532+1064 nm）、多波长（可调谐波长）光声成像活体动物科研系统的自主研发能力，并且还整合了光学显微镜及超声显微镜成像技术，形成了一套以光声成像为主的多模态活体成像体系，可为医学与基础科研领域中的肿瘤消融与药物代谢研究、脑科学研究、动物体浅表微循环研究、神经药理研究等一系列前沿领域提供精准、高端、全面的成像设备与成像服务。公司成立一年来，先后被评为“科技型中小企业”、获批佛山市南海区“蓝海人才计划”A类项目，进入佛山市科研仪器开放共享平台。光声科技自成立以来一直以创新和产品协同发展的理念经营，突破了多项技术难题，产品广受各大科研院所与医院的青睐：光声科技的发展里程碑：2022年3月，成立广东光声科技有限公司；2022年10月，首款双波长（532+1064nm）光声小动物成像系统正式面世；2022年12月，首款多模态（光学+光声+超声）光声小动物成像系统正式面世，与北京科技大学、北京理工大学、浙江大学第一附属医院等多家高校和医院参与论文研究，产品性能与售后服务，得到了用户和市场的广泛认可；2023年1月，首台光声多模态小动物成像系统中标；2023年5月，光声多模态皮肤影像系统样机落地，标志着光声科技正式步入精准皮肤临床研究领域；2023年7月，首款搭载散斑成像的光声多模态小动物成像仪中标，展示了光声科技扎实的科研能力与技术整合能力，为活体成像研究领域的仪器开发找到了新的思路。2023年8月至今，光声科技始终坚持多模态成像理念，开发了多款应用于皮肤疾病研究的成像系统。仪器信息网：请介绍一下光声科技的融资情况以及当前企业发展面临的问题和挑战。王巍：通过各级政府牵头举办的创新创业类赛事，公司已经积累非常多的潜在投资人的意向投资，投资人较为倾向类似于光声成像这类新兴的影像技术衍生出的影像设备。公司目前正在稳步跟进投资，预计半年后将实现1000万元的天使轮融资，这部分资金主要用于团队拓展、医疗器械证照及仪器迭代更新。仪器信息网：请谈一谈贵司未来3-5年的发展规划和布局。王巍：公司未来3-5年将稳步推进光声多模态活体小动物成像仪器的更新与迭代，注重成像速度与成像深度的指标优化。同时，公司未来五年内将推出国内首款应用于皮肤临床的光声多模态皮肤影像系统，将光声成像技术应用于皮肤疾病的诊断、治疗状态评估等方向。并且，公司还会发挥自身光学学科及声学学科优势，打造一些列衍生的应用于皮肤临床的光学、声学成像仪器，打造皮肤影像学新纪元。