针对肿瘤微环境的光声/双光子/二次谐波多模态活体显微成像研究

The biological capabilities acquired during the initiation and progression of tumors involve in distinct cell types, extracellular matrix (ECM), and angiogenesis within tumor microenvironment. Existing high-resolution imaging technologies, such as photoacoustic microscopy and two-photon microscopy, are valuable for longitudinal monitoring of tumor in living animals. However, it remains challenging for these single-mode imaging technologies to comprehend the complexity of cancer due to the limitation of their imaging mechanisms. Based on our previously-developed reflection-mode subwavelength-resolution photoacoustic microscopy, we further establish an in vivo multimodal microscopy by integrating photoacoustics with two-photon excited fluorescence and second harmonic generation with a new design of delivery and detection of multiple excitation lasers and optical/acoustic signals, which enables both submicron resolution and reflection detection capability. Taking advantage of complementary contrasts of these three imaging technologies, the multimodal microscopy is able to visualize three-dimensional tumor microenvironment at cellular or subcellular resolution. In living animals, multiple anatomic and functional information as well as dynamic behaviors of cells, ECM and microvasculatures within tumor microenvironment is obtained using the multimodal microscopy. Therefore, high-resolution multimodal microscopy is a potentially invaluable tool for comprehensively investigating the complicated hallmarks of cancer.

恶性肿瘤的形成与发展，不仅涉及到肿瘤微环境内的癌细胞等众多类型细胞，而且与细胞外基质和血液微循环系统密切相关。现有的光声或双光子等高分辨率成像技术为动物肿瘤组织的在体连续观察提供了有力工具。然而，受成像机制的限制，这些技术通常只能获得肿瘤组织单一角度的信息。本课题基于前期反射式亚波长分辨率的光声显微成像研究，通过进一步对多激发光束、光信号和光声波的传输和探测进行创新设计，建立融合光声、双光子和二次谐波三种成像技术的多模态活体显微系统，具备亚微米分辨率和反射式成像能力。多模态系统充分利用上述三种方法的特有成像机制，能够从细胞及亚细胞层面上在体获取肿瘤微环境的三维互补信息。通过开展活体小动物肿瘤的多模态成像，从细胞、细胞外基质和微血管等多个角度揭示肿瘤微环境的形态、功能及动态行为特征。本项目的开展与实施将为癌症特征的深入研究提供革新的技术手段。

生物组织（如肿瘤微环境）是由细胞、细胞外基质和血液微循环系统等众多元素组成的复杂生物学体系。受成像机制的限制，单一模态的光声或双光子等高分辨率成像技术仅能获取组织某一侧面的信息，无法准确揭示机体的生理病理状态。针对这一问题，本课题充分发挥光声和双光子（及二次谐波）的特有成像优势，建立光声、双光子和二次谐波相融合的多模态活体显微系统，以全方位的观察组织的三维微观形态特征。.围绕这一目标，团队模拟了光/声的传输特性，设计制作了一体化光声探测装置，搭建了激发光的合并、传输和扫描，及光、声信号的分离与探测等关键光机模块，开发了光触发、振镜（位移平台）扫描、信号采集的同步与时延控制程序，完成了多模态显微成像系统的整机集成。经表征测试，系统具备横向分辨率300 nm、纵向分辨率2.0 µm、光/声信号反射探测模式、及子模态图像自动配准等多重优势。我们获得了小鼠耳朵、脑皮层、及肿瘤组织的在体图像，展示了血液微循环系统（光声模式）、上皮细胞及神经元（双光子模式）、胶原纤维（二次谐波模式）的微观结构。经数据分析、图像增强与重建，多模态图像清晰描绘了细胞、胶原纤维与血液微循环组成的三维空间架构，为理解生物组织的生理病理状态提供了多视角、精准化的影像技术支持。.此外，项目引入空间光调制技术对激发光波前进行调整，建立了焦深灵活可调的光声成像系统；针对传统压电超声换能器带宽窄、灵敏度低的缺陷，引入了光学表面波传感技术进行光声检测，显著提高了检测灵敏度与超声带宽。这些工作进一步提升了多模态显微成像系统的性能，有利于获取更高质量的多模态图像。.总之，团队研发完成的多模态显微影像平台融合了多种先进的成像手段，能够从细胞及亚细胞层面上揭示生物组织的三维微观互补信息，对探索恶性肿瘤等重大疾病的发病机制、研发行之有效的诊疗策略，具有重要的现实意义。