前沿洞察 | 穿透深度提升4倍！這項新技術正解鎖活體深層成像的新視界

導語

自1845年人類第壹次觀察到熒光現象以來，熒光顯微鏡已經成為生物學發現中剛需的“超級神探"。從觀察細胞結構到對抗未知疾病，它立下了汗馬功勞。

然而，長久以來，這項技術一直被一個致命的瓶頸所困擾——穿透深度太淺。

今天，隨著短波紅外（SWIR）技術與近紅外二區（NIR-II）窗口的深度結合，一項名為DOLI（漫反射光學定位成像）的新技術橫空出世。它不僅成功突破了傳統光學成像的深度桎梏，更讓無創、深層、高分辨率的活體組織成像成為了現實。

01. 傳統熒光顯微的“阿喀琉斯之踵"：1毫米的深度桎梏

在生物醫學成像領域，實現深層組織的高分辨率光學觀察，一直是一個長期懸而未決的目標。

蘇黎世大學與蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）生物醫學工程研究所的研究員 Quanyu Zhou 指出：“哺乳動物的組織天然具有不透明性，這嚴重阻礙了光學成像技術獲取高分辨率圖像。"

在過去，光學顯微鏡的穿透深度從根本上受限于所謂的“彈道狀態"（ballistic regime）——通常只能穿透距離表面不到1毫米的深度。

這意味著什么？

當科學家們想要觀察動物模型（如小鼠）深層大腦區域的分子和細胞細節時，由于皮膚和頭骨對光線的強烈散射，他們往往不得不采取高度侵入性的外科手術（例如開顱手術）。這不僅限制了成像的體積，更對活體研究造成了不可逆的創傷，甚至可能改變生理狀態，影響研究結果的準確性。

圖 1. 可見光譜范圍內觀測到的小鼠顱骨。

圖 2. 采用傳統寬場熒光成像技術在近紅外二區窗口下觀測的小鼠顱骨。

02. 破局之法：SWIR 與 NIR-II 窗口的黃金組合

為了打破這一僵局，科學家們將目光投向了短波紅外（SWIR）相機和近紅外二區（NIR-II）光譜窗口。

生物醫學成像教授 Daniel Razansky 及其團隊發現，波長在 1000 到 1700 納米之間的 NIR-II 光譜窗口，簡直是深層成像的“黃金通道"。

在這個波段內：

• 光散射顯著減少，光子能夠穿透得更深；

• 背景自發熒光信號被有效抑制，圖像信噪比大幅提升。

然而，挑戰依然存在。雖然 SWIR 相機和 NIR-II 造影劑擴大了可達到的穿透深度，但由于光子的擴散效應，有效的空間分辨率會隨著深度的增加而逐漸惡化。

如何才能在看得深的同時，還能看得清？

03. DOLI技術橫空出世：穿透深度提升4倍的秘密

為了充分解決分辨率隨深度衰減的問題，Razansky 實驗室（專注于開發新型多尺度功能和分子成像技術）與 Zhou 等研究人員共同開發了一項革命性的新技術——漫反射光學定位成像（DOLI，Diffuse Optical Localization Imaging）。

這項技術的核心邏輯非常巧妙：

它通過在 NIR-II 光譜窗口中獲取一系列落射熒光圖像，對包裹著硫化鉛（PbS）量子點的流動微滴進行精準定位。

圖 3. 基于定位的 DOLI 方法

Razansky 教授解釋道：“通過在 NIR-II 窗口內定位稀疏標記的造影劑，DOLI 能夠穿透小鼠大腦等漫反射介質，以非侵入性的方式實現超分辨率成像。"

驚人的突破在于：DOLI 技術允許在超出光擴散限制深度 4 倍的地方進行顯微熒光成像！它不僅打破了傳統的光學極限，還通過利用局部光斑大小，從平面熒光圖像記錄中提取深度信息，進入了一個以前光學方法無法觸及的“分辨率-深度"新領域。

04. 腦科學研究的新紀元：直達1厘米深處的無創洞察

這項技術的成熟，正在為腦科學和神經系統疾病的研究推開一扇全新的大門。

可視化完整活體大腦深處的生物過程，對于理解大腦的認知功能以及阿爾茨海默癥、帕金森癥等神經退行性疾病至關重要。

借助高效的 SWIR 相機和明亮的量子點，研究團隊第壹次無創地清晰觀察到了小鼠大腦深處的微血管和血液循環。成像深度達到了驚人的 ~1厘米，告別了過去 1毫米 的極限！

圖 4. 基于 DOLI 技術的小鼠腦血管無創成像

（a）熒光染料灌注后，透過完整頭皮獲取的小鼠頭部寬場（WF）圖像。

（b）微滴注射后，由采集的圖像序列重構得到的對應 DOLI 圖像。

（c）去除頭皮后，在大致相同的感興趣區域（ROI）內獲取的 DOLI 圖像。

（d）通過疊加有無頭皮時的 DOLI 圖像，得到的大腦與頭皮微血管復合分布圖。

“DOLI 在深層組織光學觀察中展現出的優秀分辨率，可以為大腦提供功能性的洞察，"Zhou 滿懷信心地表示，“我們相信，隨著更高效的 SWIR 相機以及在 NIR-II 窗口表現出強烈熒光響應的新型造影劑的不斷涌現，這些領域中許多未解之謎將在不久的將來得到解答。"

05. 結語：看見更深，發現更多

從 1毫米 到 1厘米，從開顱創傷到無創。SWIR 技術與 DOLI 方法的結合，不僅是光學成像技術的一次巨大飛躍，更是生物醫學工程賦能生命科學研究的優秀范例。

它為研究神經活動、微循環、神經血管耦合以及神經退行性疾病提供了一個具有前景的平臺。未來，隨著 SWIR 硬件設備的進一步升級，我們有理由相信，深層組織活體成像將解鎖更多生命的奧秘。

【行動號召】

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參考文獻：

[1] J. Murphy Laser Focus World (Nov 2021).

[2] Q. Zhou, Z. Chen, J. Robin, X.-L. Deán-Ben, and D. Razansky, Optica, 8, 6, 796–803 (2021).