無需開顱！三維光聲超聲顯微技術 突破7毫米深度成像
本研究成果由Ludmila A.Kasatkina, Chenshuo Ma, Huaxin Sheng, Matthew Lowerison, Luca Menozzi, Mikhail Baloban, Yuqi Tang, Yirui Xu, Lucas Humayun, Tri Vu, Pengfei Song, Junjie Yao & Vladislav V.Verkhusha 團隊完成。相關論文以 《Deep-tissue high-sensitivity multimodal imaging and optogenetic manipulation enabled by biliverdin reductase knockout》 為題，于 2025年7月在 《Nature Communications》 正式發(fā)表。
重要發(fā)現(xiàn)
01基因敲除模型增強光學探針性能
研究團隊通過構建Blvra⁻/⁻小鼠模型，阻斷膽綠素（Biliverdin, BV）向膽紅素的轉化通路，使內源性BV濃度顯著升高。BV是細菌光敏色素（Bacterial Phytochromes, BphPs）的關鍵近紅外生色團，其濃度提升使BphPs衍生探針（如DrBphP-PCM、miRFP720）的熒光強度與光切換效率大幅增強：
神經元成像：在Blvra⁻/⁻小鼠腦部，DrBphP-PCM的光切換效率提升至30%（野生型僅8%），光聲信號對比噪聲比（CNR）達615（野生型為67），提升近10倍（p=0.0146）。
雙光子顯微突破：利用1280 nm激發(fā)光，miRFP720標記的神經元在Blvra⁻/⁻腦中成像深度達2.2毫米，分辨率達單細胞水平（野生型僅1.3毫米），信號強度提升2.5倍（p=0.0096）。
023D-PAULM系統(tǒng)實現(xiàn)多模態(tài)深部成像研究團隊開發(fā)了三維光聲超聲定位顯微系統(tǒng)（3D-PAULM），整合兩種核心技術：
可逆切換光聲成像（RS-PAT）：利用BphPs在660 nm/750 nm光下的可逆光切換特性，通過差分信號消除血液背景干擾，提升分子檢測靈敏度1000倍。
超聲定位顯微（ULM）：追蹤血管內微氣泡運動軌跡，以40微米分辨率繪制血管網絡（較傳統(tǒng)超聲提升10倍）。
該系統(tǒng)成功應用于：
腦深部成像：在完整頭皮與顱骨覆蓋下，對海馬體、紋狀體、下丘腦（深度7 mm）的神經元進行同步成像與血管測繪。
腫瘤與器官成像：在肝臟、脾臟及乳腺癌移植瘤（4T1模型）中，BphP1探針信號CNR提升2.3倍（p=0.0134），腫瘤內部信號分布更均勻。
03光遺傳精準治療糖尿病模型基于iLight光遺傳工具（IsPadC BphP衍生），團隊在Blvra⁻/⁻小鼠中實現(xiàn)了近紅外光控胰島素分泌：
細胞實驗：HeLa細胞經光誘導（660 nm）后，胰島素分泌量達3.1 μg·L⁻¹（黑暗環(huán)境無分泌）。
動物治療：在鏈脲佐菌素（STZ）誘導的糖尿病模型中，光激活肝臟胰島素表達使Blvra⁻/⁻小鼠血糖降至9.26 mM（達正常范圍），顯著優(yōu)于野生型（12.93 mM, p<0.005）。
創(chuàng)新與亮點
01突破深層成像技術瓶頸
傳統(tǒng)光學成像（如雙光子顯微）受限于組織散射，有效深度僅1–2毫米。本研究通過兩項革新實現(xiàn)突破：
內源生色團調控：Blvra⁻/⁻模型將BV利用率提升至近100%，解決了腦部等低BV器官的探針激活難題。
多模態(tài)協(xié)同：3D-PAULM系統(tǒng)結合光聲的分子特異性與超聲的血管分辨力，首次在無需開顱下實現(xiàn)全腦尺度成像。
02首創(chuàng)臨床級光遺傳治療平臺研究首次將深層光遺傳技術應用于代謝疾病治療：
精準控糖：通過AAV靶向遞送光控胰島素模塊，證明Blvra⁻/⁻模型下光激活效率提升25倍，為糖尿病閉環(huán)治療提供新范式。
轉化潛力：BV為人體內源分子，Blvra部分缺失病例（如高膽綠素血癥）已證實安全性，技術臨床轉化風險低。
03推動跨尺度生物醫(yī)學研究該平臺具備三大應用價值：
神經科學：7毫米深度覆蓋嚙齒類全腦，支持帕金森、腦卒中等疾病的神經環(huán)路研究。
腫瘤學：高分辨率血管成像與分子探針結合，可實時監(jiān)測腫瘤轉移與藥物響應。
基因治療：光控基因表達系統(tǒng)（如iLight）為時空精準干預遺傳病提供新工具。
總結與展望
本研究通過Blvra⁻/⁻基因敲除模型與3D-PAULM多模態(tài)成像系統(tǒng)，攻克了深層組織光學檢測與操控的核心難題——內源生色團利用率不足與背景噪聲干擾。實驗證明，該技術可在完整生物體內實現(xiàn)：7毫米深度的神經元成像；單細胞分辨率的腦部雙光子成像；近紅外光控的糖尿病精準治療。
未來發(fā)展方向包括：
技術優(yōu)化：提升3D-PAULM成像速度，適配動態(tài)生理過程監(jiān)測；開發(fā)新型BphP衍生探針（如鈣離子傳感器），拓展功能維度。
臨床轉化：探索Blvra調控在新生兒黃疸治療中的協(xié)同應用；推動光遺傳胰島素療法向大型動物模型驗證。
平臺拓展：結合人工智能算法，實現(xiàn)跨尺度數(shù)據(jù)融合（分子-細胞-器官），為精準醫(yī)學提供全息視圖。
該研究標志著“深部生物窗口” 的正式開啟，為理解生命機制與干預疾病開辟了全新路徑。
論文信息聲明：本文僅用作學術目的。
Kasatkina LA, Ma C, Sheng H, Lowerison M, Menozzi L, Baloban M, Tang Y, Xu Y, Humayun L, Vu T, Song P, Yao J, Verkhusha VV. Deep-tissue high-sensitivity multimodal imaging and optogenetic manipulation enabled by biliverdin reductase knockout. Nat Commun. 2025 Jul 14;16(1):6469.
DOI:10.1038/s41467-025-61532-4.
