南京师范大学AHM:光声成像在脑疾病中的进展——原理、应用与临床转化挑战
脑疾病（如胶质母细胞瘤、阿尔茨海默病、帕金森病、创伤性脑损伤、脑卒中等）是全球致残和致死的主要原因之一。2021年全球约34亿人患有神经系统疾病。然而，现有成像技术面临诸多局限：X射线CT和PET存在电离辐射风险；MRI与植入式医疗设备不兼容；荧光成像受光散射影响，空间分辨率和穿透深度有限。此外，血脑屏障（BBB）的存在使对比剂难以进入脑实质，脑组织的复杂血管结构和运动伪影也进一步增加了成像难度。因此，亟需一种非电离、高分辨率、深穿透且具备分子成像能力的新型脑成像技术。南京师范大学戴志晖教授、吴凡教授与王兆寅教授联合团队系统总结了光声成像（PAI）在脑疾病成像中的基本原理、关键成像模式、对比剂类型及其应用进展。PAI结合了光学吸收对比与超声空间分辨率的优势，利用纳秒脉冲激光激发组织内源性或外源性生色团，产生热弹性膨胀并辐射超声信号，通过超声换能器检测并重建出光学吸收分布图。声波散射比光波低2-3个数量级，因此PAI可在毫米至厘米深度实现微米级分辨率。文章重点比较了四种主要成像模式：光学分辨率光声显微镜（OR-PAM，横向分辨率0.1-5 μm，深度0.5-1 mm）、声学分辨率光声显微镜（AR-PAM，5-100 μm，1-10 mm）、光声计算机断层扫描（PACT，10-350 μm，10-100 mm）以及光声内镜（PAE）。针对胶质母细胞瘤，PACT可全景显示深部肿瘤及血管生成，AR-PAM则精细刻画肿瘤微血管；针对神经退行性疾病，基于比率型分子探针的PACT实现了全脑Cu²⁺和NO的3D成像；针对创伤性脑损伤和中风，PAI可动态监测血管反应、血氧饱和度和干细胞归巢。文章还讨论了临床转化面临的五大挑战：BBB限制、运动伪影、对比剂审批、单模态局限及技术瓶颈，并提出了相应的解决策略。相关内容以Advances in Photoacoustic Imaging for Brain Diseases: Principles, Applications, and Clinical Translation Challenges发表在Advanced Healthcare Materials！图1：总结了代表性光声诊断方法及其在脑疾病中的应用，并列出了临床转化的四大挑战（BBB、运动伪影、对比剂审批、单模态局限）。图2：展示了PAI原理（光→热→超声）、主要对比剂类型（内源性：血红蛋白、黑色素、脂质；外源性：小分子染料、金属/半导体纳米结构、有机纳米结构），以及OR-PAM、AR-PAM、PACT在空间分辨率与穿透深度之间的权衡关系。图3：比较了OR-PAM与AR-PAM的系统示意图。OR-PAM通过光学聚焦实现亚微米分辨率，用于淀粉样斑块和单细胞成像；AR-PAM通过声学聚焦结合深度学习，将横向分辨率从54.0 μm提升至5.1 μm。图4：展示了PACT的代表性应用。圆形阵列PACT实现大鼠脑血流动力学成像；细菌光色素BphP1标记的U87肿瘤在深约3 mm处被清晰显示；人体PACT系统（10 cm视野，350 μm分辨率）可检测手指敲击诱发的功能激活。图5：展示了外源性对比剂在胶质母细胞瘤PAI中的应用。2D硅量子片、功能化金纳米片和有机组装体LET-12均可跨越BBB，实现原位胶质瘤的PAI引导光热治疗，成像深度达2-3 mm。图6：展示了用于神经退行性疾病中Cu²⁺和NO成像的比率型PA探针。ZnSe纳米片和PAcu3探针实现了AD/PD小鼠脑中Cu²⁺的3D分布成像（深度8 mm，分辨率126 μm）；PAno2探针结合PACT在8 mm深度可视化PD模型脑内NO动态。图7：展示了PAI在创伤性脑损伤和中风中的应用。AMEC纳米复合物靶向TBI病灶并实现MRI/PAI双模态成像；微胶质细胞仿生纳米平台MiCM-NPs用于血栓超声/光声双模成像与溶栓。图8：展示了脑血管成像。可代谢半导体聚合物纳米颗粒SPN-PT在1064 nm激发下实现全脑血管高对比度PACT成像；PTD NPs在NIR-II区实现深度1 mm、分辨率25.4 μm的3D脑血管成像。图9：展示了BBB穿越策略与多模态成像。酶响应金纳米棒探针通过鞘内注射绕过BBB；ICG与Fe³⁺配位形成J聚集体，用于铁过载疾病的MRI/PAI双模成像；超声/光声/荧光三模态成像指导前哨淋巴结活检。光声成像凭借其非电离、高分辨率、深穿透和多尺度成像能力，已成为脑疾病诊断的有力工具。通过合理选择成像模式（OR-PAM/AR-PAM/PACT/PAE）与对比剂（内源性或外源性），PAI已成功应用于胶质母细胞瘤、神经退行性疾病、创伤性脑损伤、中风和脑血管疾病的结构、功能与分子成像。尽管BBB限制、运动伪影、对比剂临床审批、单模态局限及技术瓶颈仍是临床转化的主要障碍，但通过高速成像、深度学习重建、多模态融合及新型BBB穿越策略，PAI有望在未来成为脑疾病精准诊疗的重要平台。
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https://doi.org/10.1002/adhm.202505743来源：BioMed科技声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
