研究人员开发了一种新技术，这种技术可以使显微荧光成像的深度达到光扩散所限定深度的四倍。荧光显微镜通常用于在各种疾病的动物模型中成像大脑的分子和细胞细节，但到目前为止，由于皮肤和颅骨的强烈光散射，荧光显微镜仅限于小体积和高度侵入性的操作。

“在未受干扰的环境中可视化生物动力学，”瑞士苏黎世大学和苏黎世理工学院的研究小组负责人Daniel Razansky说。“在生物体的深处，这对理解生物体的复杂生物学和疾病的发展至关重要。我们的研究是首次在成年小鼠大脑中以毛细血管水平分辨率完全无创地进行三维荧光显微镜检查，有效地覆盖了大约1厘米的视野，研究人员描述了他们的新技术，称为漫反射光学定位成像（DOLI）。它利用了所谓的第二个近红外（NIR-II）光谱窗口（从1000纳米到1700纳米），该窗口显示出较少的散射。

“在深部活体组织中实现高分辨率光学观测是生物医学成像领域的一个长期目标，DOLI对深部组织光学观察的卓越分辨率可以提供对大脑的功能洞察，使其成为研究神经活动、微循环、神经血管耦合和神经退行性变的一个有希望的平台。”

实现更大深度的新技术，研究人员给一只活小鼠静脉注射荧光微滴，其浓度在血流中形成稀疏分布。跟踪这些流动目标可以重建小鼠脑深部脑微血管的高分辨率图像。

“该方法消除了背景光散射，并且在头皮和颅骨完好无损的情况下进行，”Razansky说。“有趣的是，我们还观察到相机记录的光斑大小与微滴在大脑中的深度有很强的依赖性，这使得深度分辨成像成为可能。”

新方法得益于最近引入的基于InGaAs传感器的高效短波红外相机。另一个关键组成部分是使用在NIR-II窗口中表现出强烈荧光响应的新型造影剂，例如基于硫化铅（PbS）的量子点。

清晰清晰的成像

研究人员首先在组织的合成模型中测试了这项新技术，该模型被称为模拟平均脑组织特性的组织模型，证明他们可以在光学不透明的组织中获得高达4毫米深度的显微分辨率图像。然后，他们在活体小鼠身上进行了DOLI实验，在活体小鼠身上可以完全无创地观察到脑微血管以及血流速度和方向。

研究人员正致力于优化所有三个维度的精确度，以提高DOLI的分辨率。他们还正在开发体积更小、荧光强度更强、在体内更稳定的改良荧光剂。这将大大提高DOLI在可实现的信噪比和成像深度方面的性能。

“我们预计DOLI将成为一种强大的方法，用于在以前无法达到的深度和分辨率条件下对生物进行荧光成像，”Razansky说。“这将大大提高荧光显微镜和断层扫描技术在体内的适用性。”

原文检索：

Quanyu Zhou, Zhenyue Chen, Justine Robin, Xosé-Luís Deán-Ben, Daniel Razansky. Diffuse optical localization imaging for noninvasive deep brain microangiography in the NIR-II window. Optica, 2021; 8 (6): 796 DOI: 10.1364/OPTICA.420378