灯，相机，行动！新的内显微探针可视化活体动物细胞活性

由双光子内显微镜拍摄的图像显示了小鼠肾细胞的代谢活性。

约翰霍普金斯大学的研究人员报告说，他们已经开发出两种新的内窥镜探头，显着提高了该技术的成像分辨率，并允许直接观察绵羊，大鼠和小鼠小器官中的细微组织结构和细胞活性。
研究人员说，如果临床试验肯定了仪器在人体中的价值，那么这些仪器可能会减少我们对有创诊断癌症和其他疾病的浸润活检的依赖。

“这些工具能够检查胆管，胰腺和肺等器官，为我们诊断各种疾病提供更快，更安全的方法，” 李兴德博士说。约翰霍普金斯大学医学院生物医学工程教授。

在11月3日发表在Light：Science＆Applications上的一篇论文中，研究人员描述了一种先进的微型双光子内显微镜的发展，它使用细胞的天然荧光或“发光”能力，而不使用注射染料来收集细胞结构图像和功能信息的代谢状态他们居住的器官。

“获得无标签图像非常重要，因为传统上用于在实验室中标记活检样本的化学品如果直接在人体内使用，可能是有害的，”李说。

荧光是分子能量的发射，因为它们的电子从“激发”状态回落到它们的正常能量水平，称为基态。正如荧光笔在荧光灯下发光一样，动物细胞可以发出荧光并提供有关其活动和功能的实时信息。

为了利用这种能力，李和他的研究小组开发了一种内窥镜显微镜探头，该探头使用了一种被称为双光子成像的技术 - 目前用于组织样品的实验室成像技术 - 其中两个光子被一个分子同时吸收使其产生荧光。

为了使这种显微技术小型化，李和他的团队需要将台式双光子显微镜的能力凝聚成仅直径约2mm的探针。“我们不能简单地缩小具有几十个明显笨重部件的显微镜，所以我们从头开始一个新的设计，”李说。 

该团队使用短脉冲激光器产生光子脉冲串，并将其传输到连接探头的灵活的，特别设计的光缆上。然后光子通过一个微型透镜传播，该微型透镜还可以将来自细胞的荧光再聚焦，并通过相同的光缆将其发送回探测器。研究人员还设计了探测器，通过结合一个非常小的扫描仪来捕获3-D图像，该扫描仪可以改变发出光线的器官区域。这使研究人员能够收集更多关于探针周围组织的信息。

Li说，开发这项技术的一个主要挑战是将来自细胞的荧光重新收集到相同的工具中。必须仔细制作镜头，以聚焦激光器发射的长波长光线，同时收集细胞发射的短波长荧光。光纤电缆也必须为此技术定制，以传输激发光和荧光，同时最小化光纤电缆中产生的背景噪声。商业光纤包含锗掺杂芯，经过多年的故障排除后发现它是光缆内干扰信号的主要来源。

由于探针可以捕获人体内活组织的图像，因此研究人员能够监测细胞代谢活动的变化，这可能是癌症，中风或心脏疾病的指征，而无需使用化学标签 - 这是一个类似的重大进展缺乏捕捉这种微妙但鲜明的动态变化的敏感度的技术。

探头还能够监测各种组织的结构变化，这可能有助于诊断活检不是选项的情况。其中一种应用是预测早产。在小鼠中，研究人员能够通过监测组织内胶原蛋白结构的变化来评估子宫颈的机械强度，并预测哪些小鼠会过早分娩。

他估计，这项调查的成本低于1,000美元，随着大规模生产，成本将大幅下降。

在11月16日发表在Nature Communications上的第二篇文章中，该团队描述了一种新型超薄光学相干断层扫描（OCT）探头，与当今临床使用的类似技术相比，研究人员可以获得高三到四倍的分辨率。“为了达到这个目的，我们必须使用具有更广泛色彩的光源，而挑战在于将所有这些色彩聚焦到一个点上，而不会使图像看起来模糊，”李说。“相机通过使用大型镜头来实现这一点，但我们并没有那么奢侈。”这些改进还包括将探头的尺寸缩小大约一半，直径约500微米，大约相同宽度的盐水晶。

为了达到这个目标，Li和他的团队通过将光纤端部精确地形成一个由二氧化硅制成的小球形透镜来简化设计，该透镜能够与其大型对应物一起工作。然后将球透镜精确研磨并涂上金，以将光反射并聚焦到组织上。 

此外，李和他的研究小组发现，小探头具有更高的灵活性，使他们能够在动物的复杂器官（例如绵羊肺中深处的小气道）获取和成像小流明，并且在组织结构上的可视化要比标准OCT仪器。

李希望，如果临床试验批准该仪器用于人类，新探头将减少对活检诊断心脏疾病和癌症的依赖。他说，这对于探查胰脏等器官特别重要，这些器官不仅难以用现有的内窥镜探头进入，而且对活检也很危险。

“最终，我们希望能够获得足够好的图像，以便我们不必从病人身上取下组织，”李说。 

新探头还有望比目前使用的探头便宜，每个探头的价格从800美元到1000美元不等。李的探测器材料成本为20美元至50美元。这种成本的显着降低对于一次性用于人类的技术很重要。

Li和他的团队希望开展他们的OCT和双光子探针的临床试验，以确定其在人体内的安全性和有效性。

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