通過(guò)雙激光顯微鏡技術(shù)成像的小鼠局部區(qū)域

對(duì)患者而言，分析組織活檢樣本以檢查癌癥似乎是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的過(guò)程，盡管這意味著放棄一小片肉來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。樣本被送往實(shí)驗(yàn)室，病人回家，幾天后醫(yī)生會(huì)電話(huà)告知結(jié)果。

實(shí)際上，準(zhǔn)備組織樣本需要進(jìn)行相當(dāng)多的工作，并評(píng)估其是否有疾病跡象。要在顯微鏡下觀察，需要將樣本切成極薄的切片，可能只有幾個(gè)細(xì)胞那么厚。并且為了幫助觀察，技術(shù)人員可能會(huì)使用各種染料來(lái)標(biāo)記特定蛋白質(zhì)或細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，加州理工學(xué)院（Caltech）工程和應(yīng)用科學(xué)系醫(yī)學(xué)工程和電氣工程學(xué)院Bren講席教授汪立宏（Lihong Wang）表示，“組織活檢需要對(duì)樣本進(jìn)行全面的處理，你一次只能標(biāo)記這么多分子，并且必須在標(biāo)記之間進(jìn)行清洗。有些分子并不吸收染料或無(wú)法被標(biāo)記。”

汪立宏的實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)發(fā)一種新技術(shù)，旨在使組織活檢的過(guò)程更簡(jiǎn)單且侵入性更小。該技術(shù)不使用染料，而是使用激光脈沖進(jìn)行樣本成像。

這種被稱(chēng)為紫外線(xiàn)局部中紅外光聲顯微鏡（ULM-PAM, ultraviolet-localized mid-infrared photoacoustic microscopy）的新方法通過(guò)用紅外和紫外線(xiàn)激光輻射樣本，來(lái)顯示活檢組織中的微觀結(jié)構(gòu)成像。

ULM-PAM技術(shù)

成像樣本首先會(huì)受到一束紫外激光脈沖。這束光使樣本內(nèi)的分子振動(dòng)。針對(duì)樣本放置的傳感器會(huì)捕獲這些振動(dòng)信號(hào)并將其傳遞給信號(hào)處理計(jì)算機(jī)。

下一步，樣本會(huì)受到一束紅外激光脈沖，該脈沖會(huì)略微加熱樣本但是加熱不夠均勻。樣本中的某些成分，如蛋白質(zhì)或DNA，會(huì)比其他成分更熱，因?yàn)樗鼈儠?huì)從激光中吸收更多能量。

受到加熱脈沖后，樣本會(huì)再次遭受紫外激光脈沖。如之前一樣，紫外線(xiàn)會(huì)引起樣本中的分子振動(dòng)，這些振動(dòng)信號(hào)會(huì)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。通過(guò)對(duì)比樣本在加熱前后的信號(hào)，計(jì)算機(jī)會(huì)創(chuàng)建一幅圖像，樣本的結(jié)構(gòu)可以通過(guò)熱量信號(hào)來(lái)進(jìn)行識(shí)別。由于癌細(xì)胞以不同于健康細(xì)胞的方式表達(dá)蛋白質(zhì)和DNA，因此可以用這種方法區(qū)分它們。

為了更好地理解這項(xiàng)工作，想象一下如果給你兩張紙，一張白紙和一張黑紙，在沒(méi)有看到這兩張紙的情況下需要你確定哪張是白紙，哪張是黑紙。

一種解決辦法是將兩張紙放在陽(yáng)光下，等待幾分鐘，然后摸兩張紙的溫度。因?yàn)楹谏矬w會(huì)比白色物體吸收更多的光線(xiàn)，所以黑紙會(huì)比白紙更熱。舉例中的太陽(yáng)光類(lèi)似于ULM-PAM技術(shù)中使用的紅外激光，溫度計(jì)則類(lèi)似于紫外激光。

汪立宏的實(shí)驗(yàn)室醫(yī)療工程系的博士后研究員Junhui Shi，領(lǐng)導(dǎo)了為期兩年的ULM-PAM開(kāi)發(fā)工作，表示該項(xiàng)目目前面臨著一些重大障礙。

他指出，“由于紫外線(xiàn)和紅外線(xiàn)具有不同的特性，我們必須找到能夠同時(shí)聚焦兩種光線(xiàn)的特殊鏡子和玻璃，又由于不存在可以同時(shí)看到兩種光線(xiàn)的相機(jī)，我們必須找到辦法以確定它們是否正確聚焦。”

雖然汪立宏和Shi已經(jīng)證明了ULM-PAM技術(shù)的有效性，但他們的技術(shù)仍處于概念驗(yàn)證階段。他們表示，雖然升級(jí)激光可以更快地掃描組織樣本，但應(yīng)用于臨床環(huán)境仍需要很多時(shí)間。

汪立宏指出，實(shí)驗(yàn)室的長(zhǎng)期目標(biāo)是將這項(xiàng)技術(shù)開(kāi)發(fā)成可以直接用于患者體內(nèi)的組織上。

他補(bǔ)充道，“我想要把這項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)移到體內(nèi)，最終實(shí)現(xiàn)能夠在手術(shù)過(guò)程中對(duì)癌細(xì)胞進(jìn)行成像。這是我的夢(mèng)想。”

5月13日發(fā)表在《自然光子學(xué)》（Nature Photonics）期刊上的論文詳細(xì)描述了該技術(shù)，題目為“用紫外局部光聲顯微鏡對(duì)新鮮生物樣本進(jìn)行高分辨率、高對(duì)比度中紅外成像”。