这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的学术报告：

作者与发表信息

该研究由Baptiste Heiles、Flora Nelissen、Rick Waasdorp、Dion Terwiel、Byung Min Park、Eleonora Munoz Ibarra、Agisilaos Matalliotakis、Tarannum Ara、Pierina Barturen-Larrea、Mengtong Duan、Mikhail G. Shapiro、Valeria Gazzola和David Maresca等作者共同完成。研究发表在《Science》期刊上，发表日期为2025年4月4日。

学术背景

该研究的主要科学领域是超声成像（ultrasound imaging），特别是非线性声片显微镜（nonlinear sound-sheet microscopy, NSSM）技术。研究的背景是，尽管光片显微镜（light-sheet microscopy）在生物学研究中被广泛用于观察活体中的动态细胞过程，但它存在光毒性问题，且仅限于研究薄而透明的样本。相比之下，高频超声具有深穿透（约1厘米）和高时空分辨率（约100微米，1毫秒）的优势。此外，基因编码的气囊（gas vesicles, GVs）作为“超声的绿色荧光蛋白”被引入，为活体细胞功能研究提供了新的机会。因此，该研究旨在开发一种快速、高分辨率的超声成像方法，能够可视化声学报告基因和声学生物传感器，从而探索以往无法触及的活体细胞生物学。

研究流程

该研究分为多个步骤，详细流程如下：

1. 非线性声片显微镜（NSSM）概念的引入
   研究团队提出了一种名为非线性声片显微镜（NSSM）的方法，能够检测薄活体组织切片中的基因编码气囊（GVs）和合成脂质壳微泡（microbubbles, MBs）。该方法通过调制非衍射超声束的主瓣声压，将GVs和MBs的非线性散射限制在薄组织切片中。由于GVs和MBs对声压的增加表现出非线性响应，它们可以与周围呈线性响应的组织区分开来。

2. NSSM在高频超声换能器上的实现
   研究团队在一类称为行-列寻址（row-column-addressed, RCA）阵列的高频超声换能器上开发了NSSM成像方法。当前的实现中，成像视野约为1立方厘米。

3. NSSM在三维检测细菌声学报告基因中的应用
   研究团队评估了NSSM在三维检测细菌声学报告基因的能力。通过工程化表达非线性散射GVs的大肠杆菌（Escherichia coli），研究团队成功地在15 MHz RCA阵列的两个正交方向上检测到了这些细菌。通过电子扫描声片平面，研究团队捕获了跨越8.8 × 8.8 × 10立方毫米的细菌声学报告基因的三维图像。

4. NSSM在基因标记肿瘤中的纵向成像
   研究团队使用NSSM对基因标记的肿瘤进行了纵向成像，并揭示了几天内GVs表达的三维模式。研究表明，NSSM不仅可以用于跟踪肿瘤生长，还可以量化肿瘤和坏死核心的体积。

5. NSSM在检测合成脂质壳微泡中的应用
   研究团队展示了NSSM能够检测合成脂质壳微泡（MBs），这是一类用于血管报告的共振超声对比剂。通过在任意选择的平面上以千赫兹帧率使用NSSM，研究团队获得了整个大鼠脑血管的非线性多普勒图像。

6. NSSM与超声定位显微镜的结合
   研究团队将NSSM与超声定位显微镜（ultrasound localization microscopy）结合，绘制了低于3毫米/秒的脑血流图，从而在100微米厚的活体大鼠脑组织中揭示了毛细血管网络。

主要结果

1. 三维检测细菌声学报告基因
   研究团队成功地在三维空间中检测到了工程化表达GVs的大肠杆菌，并生成了跨越8.8 × 8.8 × 10立方毫米的三维图像。

2. 基因标记肿瘤的纵向成像
   NSSM揭示了基因标记肿瘤中GVs表达的三维模式，并成功量化了肿瘤和坏死核心的体积。

3. 合成脂质壳微泡的检测
   NSSM能够检测到合成脂质壳微泡，并生成了大鼠脑血管的非线性多普勒图像。

4. 脑毛细血管网络的绘制
   通过结合NSSM与超声定位显微镜，研究团队绘制了低于3毫米/秒的脑血流图，揭示了活体大鼠脑组织中的毛细血管网络。

结论

该研究展示了NSSM在限制基因编码GVs和合成脂质壳MBs的非线性散射方面的能力。NSSM是一种可以根据速度或覆盖范围进行调整的成像方法。在二维和15 MHz的超声频率下，NSSM可以以25.6 kHz的理论帧率扫描1厘米深度。在三维空间中，NSSM可以以233 Hz的理论体积率获取8.8 × 8.8 × 10立方毫米的组织体积。为了充分发挥NSSM的潜力，需要开发新一代更亮的声学报告基因和更快的生物传感器。此外，NSSM的灵敏度需要进一步提高，以实现单细胞检测。如果成功，NSSM将为跨尺度的生物过程动态成像研究带来一波新的机会。

研究亮点

1. 重要发现
   研究团队成功开发了一种名为NSSM的超声成像方法，能够在活体组织中实现高分辨率的三维成像，特别是在基因表达和血管网络的检测方面。

2. 方法的创新性
   NSSM通过调制非衍射超声束的主瓣声压，将非线性散射限制在薄组织切片中，从而实现了高特异性和高分辨率的成像。

3. 研究对象的特殊性
   研究团队不仅检测了基因编码的气囊（GVs），还检测了合成脂质壳微泡（MBs），并将NSSM与超声定位显微镜结合，绘制了脑毛细血管网络。

其他有价值的内容

该研究还展示了NSSM在肿瘤生长跟踪和坏死核心量化中的应用，为肿瘤研究提供了新的工具。此外，研究团队还探讨了NSSM在脑血流检测中的潜力，为神经科学研究提供了新的可能性。

通过该研究，NSSM不仅为生物学研究提供了新的成像工具，还为临床开发提供了潜在的应用价值。