活体成像技术有哪些最新进展
活体成像技术有哪些最新进展。活体成像技术作为生物医学研究中的重要工具，近年来取得了显著进展。这些进展不仅推动了基础科学研究的深入，也为临床诊断和治疗提供了新的视角和方法。本文将探讨活体成像技术领域的几个最新进展，涵盖高分辨率成像、无标记化学成像、生物动力学成像以及新型成像技术的应用等方面。
一、高分辨率活体成像技术
高分辨率是活体成像技术追求的重要目标之一。高分辨率成像能够捕捉到生物体内细胞、组织和器官的精细结构，为研究人员提供更为详细和准确的信息。近年来，随着光学技术和计算方法的不断进步，高分辨率活体成像技术取得了显著进展。
例如，北京大学的研究团队将共聚焦扫描成像与结构光超分辨技术巧妙结合，提出了一种多点晶格共聚焦图像扫描显微解决方案（MC-ISM）。该技术通过优化针孔直径和间距、消除离焦信号和引入减帧重建算法，克服了现有技术在时空分辨率平衡方面的局限性。MC-ISM技术实现了2倍的三维分辨率提升，并且成像速度比多焦点结构光照明显微镜提高了16倍。研究团队利用MC-ISM技术对小鼠肾切片进行了三色3D超分辨成像，清晰分离了丝状肌动蛋白、肾单位成分及核结构，横向与轴向分辨率分别提升至131纳米和336纳米。
此外，一些研究团队还致力于开发新型光学硬件和算法，以提高活体成像的分辨率。例如，通过采用更短波长的光源和先进的成像算法，可以实现纳米尺度的活体成像。这些技术为揭示细胞内部结构和生物分子动态提供了前所未有的机会。
二、无标记化学成像技术
传统的活体成像技术往往需要使用荧光染料或其他标记物对生物分子进行标记，但这可能会干扰生物分子的正常功能。因此，无标记化学成像技术成为了一个重要的研究方向。
美国波士顿大学的研究团队成功实现了活体细胞内纳米结构的无标记化学成像，分辨率达到了86纳米。他们基于人工智能和先进仪器技术，提出了超灵敏加权受激拉曼散射（URV-SRS）技术。URV-SRS技术利用两束波长不同的光同时聚焦在生物样品内，当两束光的能量差恰好与分子内的化学键振动能量匹配时，便会产生远强于常规拉曼的相干拉曼信号，实现高速活体无标记化学成像。
与传统近红外SRS技术相比，URV-SRS技术在信号强度和灵敏度方面提高了50倍。该技术能够在不引入伪影的情况下，放大原本微弱的高分辨率信号，首次实现了针对活体细胞内纳米结构的无标记化学成像。URV-SRS技术适用于自然条件下无标记的样品，可对细胞内代谢纳米结构的多重检测，因此在肿瘤代谢、神经科学与合成生物学等领域具有广泛的应用前景。
三、生物动力学成像技术
生物动力学成像技术能够实时监测生物体内的生理过程，如血液循环、氧气代谢等。这些信息对于理解生物体的生理和病理机制具有重要意义。
韩国浦项科技大学的科研团队在光声计算机断层扫描（PACT）技术领域取得了创新性研究成果。他们开发了一种连续旋转扫描PACT系统，该系统在小动物全身生物动力学成像方面展现出了卓越性能。PACT技术融合了光学和超声成像的优势，基于光声效应将吸收的光能转化为声波进行成像。该系统不仅能够实现数百微米空间分辨率的结构成像，还可通过多波长光源捕捉血红蛋白氧饱和度和代谢率等生理信息。
在连续旋转扫描模式下，该系统尽管减少了换能器元件的数量，但所生成的图像质量依然令人惊叹。与步进扫描模式相比，连续扫描模式在保持较高成像质量的同时，显著提高了成像速度。研究团队通过一系列实验验证了该系统的可靠性和准确性，为生物医学研究提供了一把强大而锋利的工具。
四、新型成像技术的应用
除了上述几种成像技术外，还有一些新型成像技术正在逐渐崭露头角。例如，短波红外区域成像（SWIR）技术因其高时空分辨率和穿透深度而受到广泛关注。生物组织在SWIR区域的最小自荧光会增加灵敏度，而由血液和其他结构散射和吸收造成的光衰减也显著减少。这使得SWIR成像技术能够在较深的组织层次中获取清晰的图像。
为了克服SWIR成像技术缺乏多功能和功能性发光材料的挑战，美国麻省理工的研究团队开发了一种高质量的SWIR发光量子点材料。这些量子点材料可以很容易地为各种功能成像应用进行修改，其发射范围大小可调，并且比先前的SWIR探针具有更高的发射量子效率。研究团队展示了这种SWIR量子点在小鼠体内的多种应用，如实时成像激活组织和器官的能量代谢、量化大脑血管中的血流等。
尽管活体成像技术取得了显著进展，但仍然面临一些挑战。例如，如何提高成像技术的灵敏度和分辨率以满足更精细的生物医学研究需求；如何降低成像过程中的光毒性以减少对生物体的影响；如何开发更为便捷和经济的成像设备以推动技术的广泛应用等。
未来，随着光学技术、计算机科学、材料科学等多学科的交叉融合，活体成像技术有望实现更多突破。例如，通过结合人工智能和机器学习算法，可以进一步提高成像技术的自动化和智能化水平；通过开发新型成像探针和标记物，可以实现更为精准和特异的生物分子成像；通过优化成像设备的结构和性能，可以提高成像的效率和可靠性。
活体成像技术作为生物医学研究中的重要工具，近年来取得了显著进展。这些进展不仅推动了基础科学研究的深入，也为临床诊断和治疗提供了新的视角和方法。随着技术的不断进步和完善，活体成像技术有望在更多领域发挥重要作用，为人类健康事业做出更大的贡献。