适用于肿瘤血管生成的亚微米分辨率活体光声成像研究

Angiogenesis is both a hallmark and an important therapeutic target of cancer. Optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM), which provides label-free imaging of vascular architecture and functions-including the microvessel size, density, blood flow, oxygenation, and the metabolic rate of oxygen-with extremely high sensitivity and resolution, can potentially become a powerful imaging tool for tumor angiogenesis study. However, current OR-PAM of the highest (submicron) resolution exists only in transmission mode, imposing serious limitations when used for solid tumor study. In this proposal, with a new design combining the use of a high N.A. microscope objective, a miniature high-frequency ultrasonic transducer, and a novel 3D scanning scheme with dynamic feedback of the skin contour, we aim to develop a reflection-mode submicron-resolution PAM for in vivo imaging of solid tumor angiogenesis. Furthermore, we will: (1) perform serial PAM studies of tumor angiogenesis, (2) compare the imaging results with histology, and (3) establish an initial standard for photoacoustic imaging of angiogenesis.

肿瘤血管生成不仅是癌症发生的重要标志，也是其治疗的重要靶标。开展肿瘤血管生成的深入研究，对开发新的癌症诊断与治疗策略，具有重大意义。光声成像无需外部标记即可对微血管进行高分辨率、高对比度的在体成像，而且能够测量血流、血氧、氧代谢等重要生理参数，有潜力为肿瘤血管生成的研究提供方法上的革新。但是，现有的最高（亚微米）分辨率的光声成像技术只能进行透射式成像，难以在实体肿瘤的研究中获得广泛应用。本项目拟在光、声能量传输的物理和系统层面上对光声成像方法重新设计，利用高数值孔径物镜和微型高频超声换能器，研发反射模式的亚微米分辨率光声成像方法。在此基础上，开发具有表面高度动态反馈功能的三维光声扫描技术，并通过光声多普勒和光声光谱等方法，获取血管生成的多种形态与功能信息，使研发的技术能够被广泛用于实体肿瘤的研究。最后，通过一系列的活体光声成像研究，为制定肿瘤血管生成的光声成像标准提供基础与依据。

血管生成是恶性肿瘤产生和发展的重要标志，也是肿瘤治疗的重要靶标。研发抑制肿瘤血管生成的新策略和药物，一直是国际医学的研究热点；然而缺少兼具高分辨能力和大穿透深度的在体成像方法，导致了抗癌药物的研发周期长、投入成本大。为此，本项目利用光声成像无需任何标记，即可对微血管和微循环进行高灵敏度成像的优势，开发了反射式高分辨光声显微成像系统，适应于高精度、无创、在体成像肿瘤血管的生成，以期促进对肿瘤血管生成机理的研究。通过巧妙集成大数值孔径物镜和微型超声换能器，本项目团队在国际上率先成功研制了空间分辨率高达320 nm 的反射式光声显微系统，能够对亚细胞结构、活体组织微血管（乃至单个红细胞）进行高精度的无标记成像。相关研究结果发表于Biomedical Optics Express, 5(12): 4235，并获美国光学学会2014年度Spotlight on Optics特别正面评论。此外，该光声显微系统集成了高速激光扫描振镜，使图像采集速度大幅提高，为进一步开展肿瘤血管的动态学特征研究提供了有力的技术手段。在此基础上，本项目提出了光声血管多参量自动提取算法，实现了微血管重要形态结构参数的量化观测。本项目所取得的结果为深入研究肿瘤血管生成提供了革新的技术手段，有利于推动新型抗癌策略和药物的开发。