光聲與超聲定位成像在生物醫(yī)學(xué)的創(chuàng)新突破

急性腎損傷（AKI）是一種常見的臨床病癥，與慢性腎臟病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，給患者帶來沉重的負(fù)擔(dān)。早期準(zhǔn)確診斷AKI對于改善預(yù)后至關(guān)重要。目前的診斷方法多依賴于生物標(biāo)志物和腎功能指標(biāo)的檢測，但存在回顧性、不敏感和潛在不準(zhǔn)確等缺陷，難以滿足臨床需求。因此，開發(fā)能夠?qū)崟r、無創(chuàng)、定量監(jiān)測腎臟微循環(huán)結(jié)構(gòu)和功能變化的新技術(shù)迫在眉睫。

美國伊利諾伊大學(xué)團隊開發(fā)的無標(biāo)記雙模態(tài)光聲-超聲定位成像系統(tǒng)（PAUL），通過融合紅細(xì)胞運動追蹤與血紅蛋白光譜特性，首次實現(xiàn)26微米級三維腎臟微血管網(wǎng)絡(luò)可視化，并同步量化血流動力學(xué)與組織氧合參數(shù)。發(fā)表于《Advanced Science》的研究，不僅為AKI機制研究提供全新工具，更標(biāo)志著無創(chuàng)微循環(huán)成像技術(shù)邁入多參數(shù)動態(tài)評估的新紀(jì)元。

研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
急性腎損傷的臨床診斷困境
AKI的病理本質(zhì)是腎臟微循環(huán)障礙引發(fā)的缺氧與炎癥級聯(lián)反應(yīng)，但早期微血管收縮、毛細(xì)血管密度下降等變化難以被常規(guī)檢測捕捉。臨床依賴的腎功能指標(biāo)通常在組織損傷發(fā)生后24-72小時才顯著升高，且易受肌肉代謝、血容量等因素干擾。

現(xiàn)有影像技術(shù)的局限性
MRI灌注成像需注射釓造影劑，存在腎源性纖維化風(fēng)險；光學(xué)顯微技術(shù)雖達(dá)細(xì)胞級分辨率，但穿透深度不足1mm；超聲多普勒受限于百微米級空間分辨率，無法區(qū)分相鄰毛細(xì)血管。盡管微泡增強超分辨超聲可將分辨率提升至10微米級，但造影劑代謝快、重復(fù)注射成本高，難以支持長期縱向研究。

技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
無標(biāo)記超聲定位成像突破微血管可視化
研究團隊開發(fā)了基于紅細(xì)胞自發(fā)運動的超分辨算法：通過500Hz高速幀頻捕捉血流信號，利用點擴散函數(shù)相關(guān)分析定位單個紅細(xì)胞，累計5秒數(shù)據(jù)即可重建微血管網(wǎng)絡(luò)。相比傳統(tǒng)多普勒超聲，該方法將分辨率從123μm提升至26μm，且無需外源造影劑，首次實現(xiàn)無損、連續(xù)的微循環(huán)觀測。

三維多參數(shù)成像系統(tǒng)整合
定制化線性陣列探頭集成激光光纖束，通過機械掃描獲取三維數(shù)據(jù)：超聲通道記錄血流信號，光聲通道同步采集氧合信息。系統(tǒng)在15MHz頻率下實現(xiàn)10.5mm成像深度，信噪比始終高于25dB，滿足全腎覆蓋需求。這種硬件-算法協(xié)同創(chuàng)新，使血管密度、相對血容量、區(qū)域氧合度的定量分析成為可能。

成像實驗與結(jié)果分析
缺血再灌注模型的縱向監(jiān)測
建立小鼠單側(cè)腎動脈夾閉模型，術(shù)后72小時內(nèi)分5個時間點進行PAUL掃描。三維重建顯示：術(shù)后24小時腎皮質(zhì)微血管密度下降67%，氧合水平降低16.6%；至72小時仍存在54%血管丟失和14.1%氧合缺損。特定區(qū)域分析發(fā)現(xiàn)，近缺血區(qū)的弓形動脈分支出現(xiàn)選擇性退化，而遠(yuǎn)離損傷灶的葉間血管呈現(xiàn)自發(fā)再生跡象。

組織病理學(xué)與炎癥指標(biāo)驗證
H&E染色證實手術(shù)組出現(xiàn)腎小管上皮肥厚（補償性代謝增強）及髓質(zhì)透明管型（腎小球濾過屏障損傷）。血液檢測顯示促炎因子IL-6、TNF-α分別上升8倍和1.8倍，抗炎因子IL-10同步升高，印證成像發(fā)現(xiàn)的炎癥擴散。這種多維度數(shù)據(jù)交叉驗證，構(gòu)建起從微循環(huán)障礙到器官功能衰竭的完整證據(jù)鏈。

總結(jié)與展望
無標(biāo)記雙模態(tài)PAUL成像技術(shù)為腎臟生理研究和AKI早期診斷提供了全新的視角，其無需對比劑、高分辨率、多參數(shù)成像的特點使其在臨床應(yīng)用中具有巨大潛力。未來，隨著技術(shù)的進一步優(yōu)化和推廣，有望在更廣泛的臨床場景中發(fā)揮作用，為腎臟疾病的研究、診斷和治療效果評估提供更為精準(zhǔn)的手段。然而，目前該技術(shù)仍存在一些局限性，如成像深度和速度的平衡問題、運動偽影的影響等，需要在后續(xù)研究中加以改進。同時，進一步探索其在其他類型腎臟疾病及不同物種中的應(yīng)用價值，也將是未來研究的重要方向。

論文信息
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Zhao S, Zhang X, Bailey K, Pai S, Zhao Y, Chen YS. Label-Free Dual-Modal Photoacoustic/Ultrasound Localization Imaging for Studying Acute Kidney Injury. Adv Sci (Weinh). 2025 Mar 11:e2414306.

DOI:10.1002/advs.202414306.