1700nm波段深层皮肤多光子成像技术研究

Multiphoton microscopy (MPM) is a key technology to visualize structures and dynamics for dermatology research. So far, commercial MPM systems for clinical use with 800-nm femtosecond excitation are limited to an imaging depth of 200 µm. Further boosting imaging depth to enable visualization of deeper structures is of vital importance to dermatology research. Our recent research shows that excitation at the 1700-nm window enables twice larger imaging depth into the brain compared with that at the 800-nm window. Based on these results, here we propose to perform research on multiphoton microscopy of deep skin tissue at the 1700-nm window. Experimentally, we will 1) build a high-energy femtosecond laser source at the 1700-nm window with MHz repetition rate, 2) build a laser scanning microscope optimized for 1700-nm MPM, and 3) utilizing the laser and microscope system, perform deep-tissue multimodal MPM of skin tissue and compare it with MPM excited at the 800-nm window. Our main goal in this proposal is to establish a MPM system suitable for dermatology research, with imaging depth transcending that can be achieved by the current commercially available technologies. We will demonstrate its application to biological samples. By doing this, we will establish the technological advantages of our 1700-nm deep skin MPM and provide new solution to (deep) skin research, and pave the way for its final application to clinical use on human subjects.

多光子成像是皮肤科学研究，例如皮肤病诊断、药品渗透性测试等应用的重要研究手段。目前，临床商用多光子成像系统的标称深度仅为200µm，采用800nm波段飞秒脉冲激发。突破这一深度瓶颈、实现更深层成像对皮肤科学研究意义重大。我们最近研究表明：1700nm波段具有更深层成像能力，对脑组织的无损成像深度是800nm波段的两倍。在此基础上，本项目拟开展1700nm波段深层皮肤多光子成像技术研究。实验上：1）建造该波段高能量、MHz重复频率飞秒脉冲光源；2）建造1700nm波段优化设计的激光扫描显微镜；3）利用整套系统开展皮肤样品的深层、多模态多光子成像研究并与800nm波段对比。本项目旨在构建超过现有商用水平成像深度的深层皮肤多光子成像系统，演示其在生物样品中的成像，与现有技术进行对比以体现其成像深度优势，以期为（深层）皮肤科学研究提供新的技术解决方案，并为其在临床应用于人体提供最初的实验依据。

多光子成像是皮肤科学研究，例如皮肤病诊断、药品渗透性测试等应用的重要研究手段。目前，临床商用多光子成像系统的标称深度仅为200μm，采用800nm波段飞秒脉冲激发。突破这一深度瓶颈、实现更深层成像对皮肤科学研究意义重大。1700nm波段的三光子成像已经在活体动物脑成像中取得成功，获得了目前最大的成像深度。因而在活体动物皮肤深层成像中极具应用前景。截至本申请项目以前，尚无1700nm波段深层皮肤多光子成像演示，因而采用何种成像模态、可以看到什么结构、可以成像多深均未知。在本申请项目中，我们开展了1700nm波段深层皮肤多光子成像，建造了光源、激光扫描显微镜系统，深入研究了成像模态及标记技术，最终利用整套系统在活体小鼠深层皮肤成像中取得了一系列原创性研究成果，深度超过800nm波段。.所取得的主要成果为：（1）建造了基于多种非线性光学效应的1700nm波段飞秒脉冲光源，适合作为深层皮肤成像的激发光源。（2）建造了适合1700nm波段多种模态多光子成像的激光扫描显微镜，可以开展双光子荧光、三光子荧光、二次谐波、三次谐波成像。（3）明确了采用1700nm波段激发，在活体小鼠皮肤内可以通过双光子荧光、三光子荧光、二次谐波、三次谐波这些不同的成像模态看到不同的结构，并开发了相应的皮肤结构荧光标记技术。（4）在上述研究的基础上，在活体小鼠皮肤内，实现了对弹性纤维、胶原蛋白、髓鞘、角质细胞、皮脂腺、汗腺、淋巴管及其瓣膜、血管、脂肪细胞等的结构成像，以及对淋巴管收缩以及血液流动的动力学成像，最大成像深度达表面下360μm，超过800nm波段多光子成像。.本项目的成果在实际应用中将为（深层）皮肤科学研究提供新的技术解决方案，使我们看的更深，并为其在临床应用于人体提供最初的实验依据。