光声钙离子成像及其应用基础研究

Currently, calcium imaging techniques are direct means to observe neural activity for exploring the mysteries of brain. This project intends to develop photoacoustic deep-tissue calcium imaging method to breakthrough the imaging depth limitation of fluorescence calcium imaging, achieving the detection of neural activity in deep-seated tissue in vivo. A high-resolution, high-speed and stable multi-scale photoacoustic calcium imaging system will be developed to exert the photoacoustic imaging’s intrinsic advantages that are high resolution and high penetration depth. The quantitative relation between the probe’s photoacoustic signal and calcium ion concentration will be established based on that the fluorescence and the photoacoustic signals excited by the same pulse laser exist in a competitive relationship that as one increases and the other decreases. The method accurately extracted calcium concentration-related photoacoustic signal from living animal is explored. Finally, the corresponding relation between photoacoustic calcium signal and neural activity is researched in the small animal model. The development of photoacoustic calcium imaging method will provide a novel tool for research of neural signal transmission in deep-seated tissue in vivo.

钙离子成像技术是目前观测神经活动以探索大脑奥秘最为直接的手段。本项目拟开创光声钙离子成像新技术方法，突破目前荧光钙离子成像深度受限(＜1mm)的问题，实现对活体深层组织下神经活动的观测。项目将搭建高分辨、高速、稳定的多尺度光声钙离子成像装置，以发挥光声成像同时具备高分辨率和高穿透深度的内在优势；首创性地利用同一激发过程中钙离子探针产生的光声、荧光此消彼长的互补关系（受激电子的辐射和非辐射跃迁存在着竞争机制），建立光声信号与钙离子浓度的定量关系；探索从活体深层组织中准确提取钙离子浓度相关光声信号的方法；最后，在小动物模型上研究光声钙离子信号与神经活动的对应关系。光声钙离子成像的发展将为研究活体深层组织中神经信号传递提供新的技术方法。

钙离子成像技术是目前观测神经活动以探索大脑奥秘最为直接的手段。项目计划发展光声钙离子成像新技术方法，突破目前荧光钙离子成像深度受限(＜1mm)的问题，实现对活体深层组织下神经活动的观测。项目将搭建高分辨、高速、稳定的多尺度光声-荧光成像装置，以发挥光声成像同时具备高分辨率和高穿透深度的内在优势，利用同一激发过程中钙离子探针产生的光声、荧光此消彼长的互补关系（受激电子的辐射和非辐射跃迁存在着竞争机制），建立光声信号与钙离子浓度的定量关系；探索从活体深层组织中准确提取钙离子浓度相关光声信号的方法，并将光声-荧光成像拓展应用至光声肿瘤pH成像、光声脑成像，极大拓展光声-荧光成像装置的应用范围。.在项目执行期内项目完成的主要研究内容以及取得的重要结果如下：.1. 搭建了同一激发高分辨率光声-荧光显微成像系统，验证了同一激发过程中探针产生的光声、荧光此消彼长的互补关系，并利用此互补关系发展了光声钙离子成像技术方法，初步实现了深层钙离子浓度成像，获授权国家发明专利一项（利用光声-荧光互补原理的深层钙离子浓度监测方法，专利号，201510896712.0，授权公告日：2019年6月28日 ）。.2. 发展了高分辨光声-荧光肿瘤pH成像技术，实现对肿瘤组织酸性度的精准、高灵敏度成像（Optics Letters, 42(7), 1253-1256, 2017； 物理二区， IF：3.589），该技术获得国家发明专利（利用光声荧光信号比值测定PH值的定量检测方法与装置，专利号：ZL201610053518.0; 授权公告日：2018年8月24日）。.3. 发展了光声脑成像技术，在光声成像引导下实现对脑胶质瘤精准诊疗。（Advanced Functional Materials, 26,1808601, 2019.）.项目执行期内共发表了学术论文发表论文11篇以上，其中SCI收录文章7篇，其中一区论文5篇；获授权国家发明专利2项，申请国家发明专利5项；培养硕士4名。