肿瘤靶向光声成像新方法成功消除血液背景噪音

       光声效应是指脉冲激光照射生物组织，其反馈超声信号的现象，这种超声信号为光声信号。由生物组织产生的光声信号携带组织的特征信息，能够重建出组织的光吸收分布图像，称为光声成像。

       近日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称SIAT）的研究人员在保障光信号强度和图像高分辨率的同时，实现了针对特定肿瘤的深层光声成像。为了控制背底信号的干扰，该团队设计出一种具有高开关比的反馈蛋白。这种蛋白质附着在肿瘤上，能够在“开”和“关”不同状态下，通过光声成像实现肿瘤深层组织的监测。这样，方便研究人员深入到生理组织内部，获得详细的分子信息。

       然而，光声成像技术的检测灵敏度受到血液背景的干扰，比如血红蛋白等内源性荧光团，那么其它分子成像受到很大局限。

       光致变色是指在物质在一定波长和强度的光作用下，颜色发生改变的一种可逆现象，有利于抑制背景信号的干扰。具有光开关特性的基因反馈蛋白能够吸收特定频率的光信号，生成背底的光声图像，进而减去它。为了使其发挥实践作用，研究人员需要将目标靶定为可光致变色的色蛋白。

       与美国德克萨斯大学奥斯汀分校合作，SIAT团队将特殊编码的基因探针结合光声成像以及合成生物学，创造出了一种在活体内响应的光声探针，这种探针具有高特异性，能够针对特定肿瘤进行光声成像。

       研究人员声称，反馈蛋白（F469W）以光敏色素为基础，消除血液背景的效率是目前为止的最高值。

       研究组将设计合成的编码蛋白的基因质粒转染到大肠杆菌中，成功地观察到可光致变色的色素蛋白（F469W），并将其递送到肿瘤病灶，利用该菌种对肿瘤缺氧微环境的靶向特性，优先对肿瘤定植，使探针能够长期探测肿瘤区域，从而针对其稳定成像。此外，链霉素能够作用于大肠杆菌，确保控制住生长在肿瘤上的这种微生物。

图1 以细菌为载体，光致变色蛋白在小鼠体内作用流程图。最后两步说明，国际研究组开发的光声成像方法，简化肿瘤相关疾病的诊断困难度，提高了实时监测的能力，对特定的癌症诊断具有更高敏感度。（图片来源：SIAT）

       研究人员利用X射线计算机断层技术进行光声成像，实现了小鼠的活体成像，具有深度性、高分辨率、肿瘤特异性等优点。

       研究组称这种方法为GPS成像，“G”代表基因编码探针（Genetically encoded probe），“P”代表光声成像（Photoacoustic imaging），“S”代表合成生物学（Synthetic biology）。总结来说，GPS成像方法集三者之所长，为了抑制背景信号，以合成生物学知识为基础，利用基因编码合成新蛋白，最终光声成像可视化反馈的信号。

       研究人员解释，GPS成像技术让医务工作者们更容易诊断肿瘤疾病并且长期监测。在实操方面，这种肿瘤成像对特定的癌症诊断具有高敏感性、保真度以及高特异性。

     以上工作发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》（简称为PNAS）上。（原文链接：www.doi.org/10.1073/pnas.2121982119）