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活體光聲成像在呼吸系統炎癥無創檢測的應用

瀏覽次數:356 發布日期:2025-2-6  來源:本站 僅供參考,謝絕轉載,否則責任自負

在醫學研究領域,急性呼吸道炎癥的早期精準檢測一直是備受關注的焦點。傳統的檢測方法往往存在諸多局限,難以滿足臨床對于快速、準確、無創診斷的迫切需求。如今,一項全新的技術——基于Nano-ICG增強巨噬細胞活體光聲成像技術應運而生,為急性呼吸道炎癥的無創定量評估帶來了革命性的新希望。

研究背景:呼吸道感染檢測的挑戰
呼吸道感染是全球范圍內極為嚴重的健康問題,堪稱兒童健康的“頭號大敵”。據權威統計,僅5歲以下兒童每年因呼吸道病毒感染死亡的人數就高達300萬,這一數字令人痛心疾首。細菌感染在引發急性呼吸道炎癥方面扮演著關鍵角色,其中革蘭氏陰性菌的感染與急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)、慢性阻塞性肺病(COPD)急性加重以及哮喘急性發作等疾病中的氣道炎性損傷緊密相連。

在疾病的早期階段,炎癥悄然發生。巨噬細胞作為炎癥反應的“先鋒部隊”,會迅速聚集到炎癥部位。它們如同一個個“小衛士”,試圖清除入侵的病原體。然而,傳統的成像技術在面對這一微觀戰場時,卻顯得力不從心。

核磁共振成像(MRI)雖然能夠提供較為清晰的人體內部結構圖像,但對于早期炎癥細胞的細微變化,其分辨率還遠遠不夠。就好比用放大鏡去看細菌,還是無法看清細菌表面的微小細節。X射線計算機斷層成像(CT)在檢測肺部的大體形態和明顯病變方面有一定優勢,但對于炎癥初期細胞層面的變化,也難以精準捕捉。正電子發射斷層成像(PET)雖然在腫瘤等疾病的診斷中發揮著重要作用,但在呼吸道炎癥的早期診斷上,也存在特異性不足的問題。超聲(US)成像在觀察肺部的一些較大結構和血流情況時較為常用,但對于炎癥細胞的分辨能力有限,就像用望遠鏡去看近處的螞蟻,根本無法看清。光學相干斷層成像(OCT)和熒光成像(FI)雖然在某些方面具有較高的分辨率,但它們的穿透深度太淺,無法深入到肺部組織內部去觀察炎癥細胞的活動。

在這樣的背景下,尋找一種能夠高分辨率、深穿透性地觀察呼吸道炎癥的成像技術,成為了醫學領域亟待解決的難題。這不僅關系到對呼吸道炎癥發病機理的深入理解,更是研發新型治療方案和藥物的關鍵所在。只有準確地了解炎癥的發生發展過程,醫生們才能有的放矢地制定治療策略,避免過度使用抗生素等藥物,從而提高治療效果,保障患者的健康。

技術創新:神奇的Nano-ICG
研究人員首先對Nano-ICG進行了詳細的表征。透射電鏡下,Nano-ICG呈現出平均尺寸約65nm的圓形顆粒,并且呈現聚集狀分布。這就像是一群緊密團結在一起的“小士兵”,準備在后續的實驗中發揮重要作用。

在光學吸收性能方面,Nano-ICG在600-850nm區間的780nm處展現出了最強的光吸收特性。這一特性就如同它擁有了一個獨特的“信號發射器”,能夠在光聲成像過程中產生強烈的信號。更為重要的是,經過嚴格的生物安全性測試,質量濃度為330μg/mL的Nano-ICG溶液對小鼠巨噬細胞沒有毒性。這意味著它可以安全地進入細胞內部,為后續的成像研究奠定了堅實的基礎。

巨噬細胞與Nano-ICG的“親密互動”
通過實時成像技術,研究人員如同在微觀世界里安裝了一個“攝像頭”,清晰地觀察到了巨噬細胞對Nano-ICG的吞噬過程。在Nano-ICG注入后的1小時內,巨噬細胞就像一個個“饑餓的捕食者”,迅速地將Nano-ICG吞噬到細胞內部。而且,隨著時間的推移,巨噬細胞對Nano-ICG的攝取量不斷增加,圖像的信號強度也如同逐漸亮起的燈光,變得越來越強。這表明巨噬細胞與Nano-ICG之間存在著緊密的聯系,Nano-ICG能夠有效地被巨噬細胞攝取,并且在細胞內發揮作用。

氣道活體成像的顯著差異
在對Control組和Model組小鼠的氣道進行成像時,研究人員發現了一系列有趣的現象。在滴注Nano-ICG溶液15分鐘后,Model組的PAI信號就像被點燃的火焰,相較于Control組開始呈現出增強的趨勢。而在Control組中,隨著時間的推移,Nano-ICG的PAI信號卻如同逐漸熄滅的蠟燭,呈現減弱的態勢。30分鐘后,兩組的PAI圖像對比度變得更加明顯,就像黑白分明的圖案,清晰地顯示出炎癥區域和正常區域的差異。到了60分鐘,Model組中的PAI信號達到最強,與Control組相比,差異如同天壤之別,具有極為顯著的對比效果。

進一步的研究表明,在Control組中,小鼠呼吸道內的Nano-ICG隨著滴注后時間的增加不斷地減少,就像潮水逐漸退去;而在Model組中,小鼠呼吸道內的 Nano-ICG隨著時間的延長不斷地增加,仿佛在炎癥的“土壤”中生根發芽。這一結果充分說明,Nano-ICG在注入60分鐘后能夠準確地反映呼吸道壁上炎癥細胞的發展程度,就像一個精準的“溫度計”,為醫生判斷炎癥的嚴重程度提供了重要的依據。

研究人員利用軟件對二維PAI圖像進行了三維重建。這一重建過程就像是將一幅平面的地圖變成了一個立體的模型,能夠提供更準確、更全面的呼吸道炎癥信息。通過三維呼吸道炎癥的PAI結果,我們可以清晰地看到炎癥細胞在呼吸道中的具體位置和聚集情況,就像在一個透明的人體模型中直接觀察炎癥的發生部位一樣。

組織學評價的有力佐證
為了更深入地了解炎癥對呼吸道組織的影響,研究人員對氣道樣本進行了病理切片和染色。在Control組的切片中,呼吸道呈現出淺粉色,管壁內側光滑平整,沒有增厚的跡象,也未發現任何腫脹點和出血點,就像一條干凈整潔的通道,沒有任何異常。而在Model組的切片中,情況則截然不同。呼吸道出現了明顯的出血和腫脹現象,表面散布著許多出血點,管壁內側有大量的炎癥細胞浸潤,管腔內分泌物也明顯增多,管壁及基底膜增厚不規則,仿佛是一個遭受了嚴重破壞的戰場,到處都是炎癥的“痕跡”。這一組織學評價結果與光聲成像的結果相互印證,進一步證實了炎癥的存在和嚴重程度。

光聲成像:無創檢測具有分辨率和深度優勢
光聲成像技術在呼吸道炎癥診斷中的成功應用,讓我們看到了它的巨大潛力。與傳統的成像技術相比,它的優勢不僅僅體現在分辨率和穿透深度上。光聲成像技術還具有非侵入性的特點,這對于患者來說是一個極大的福音。在臨床實踐中,這意味著患者不需要承受過多的痛苦和風險,就能夠進行準確的檢查。

在肺部疾病的早期篩查方面,光聲成像技術有望發揮重要作用。例如,對于長期吸煙或處于空氣污染環境中的人群,定期進行光聲成像檢查,可以及時發現肺部的微小炎癥病變,從而采取有效的預防措施,降低患嚴重肺部疾病的風險。在肺部腫瘤的診斷和治療監測中,光聲成像技術也可以與其他成像技術相結合,通過觀察腫瘤周圍的炎癥反應,可以更好地了解腫瘤的生物學行為,為醫生提供更全面的信息。

研究結論:光聲成像可無創檢測呼吸道炎癥
PAI技術在評估炎癥方面具有高度的可行性,就像一把精準的尺子,能夠準確地測量炎癥的程度。Model組炎癥的光聲成像結果、病理結果以及熒光成像結果高度匹配,如同一個緊密配合的團隊,共同為呼吸道炎癥的診斷提供了有力的證據。在未來的醫學實踐中,醫生們可以利用這一技術,更加準確地診斷呼吸道炎癥,及時制定個性化的治療方案。對于患者來說,這意味著能夠更快地得到有效的治療,減少疾病帶來的痛苦和并發癥的發生。同時,這也為醫學研究人員進一步深入研究呼吸道炎癥的發病機制提供了重要的工具和方法,有望推動呼吸疾病相關領域的不斷發展。

論文信息
聲明:本文僅用作學術目的。
張建, 梁超豪, 羅志佳, 等. 基于Nano‑ICG增強巨噬細胞活體光聲成像的急性呼吸道炎癥無創定量評估[J]. Chinese Journal of Lasers, 2024, 51(9): 0907012-0907012-9.

DOI:10.3788/CJL231378

發布者:羅輯技術(武漢)有限公司
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E-mail:logiscience@163.com

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