通过检测光敏血管的局部血流动力学来实现生物荧光成像
学术新闻报道：新的MRI技术通过检测光敏血管的局部血流动力学来实现生物荧光成像
学术背景介绍
生物发光探针广泛应用于监测活体动物中生物医学相关的过程和细胞目标。然而，组织对可见光的吸收和散射极大地限制了生物发光检测的深度和分辨率。特别是在大脑中，由于颅骨对光子的阻挡，短波长光的传播受到限制，导致生物发光成像（Bioluminescence Imaging, BLI）的数据通常限制于浅层来源，并且大多是二维投影，缺乏深度信息。
为了克服这些限制，研究人员开发了光声层析成像和其他基于光散射重建的方法，但这些方法需先验知识和独立成像模式的解剖信息的注册。另一种方法是将生物发光输出局部转换为不同类型的信号，以便使用X射线层析成像、超声波或磁共振成像（MRI）等深度组织成像方式进行检测。尽管已经有一些探针架构能够将光转化为可用MRI检测的信号，但这些方法缺乏足够的分辨率和灵敏度，无法支持体内BLI应用。
论文来源
这篇研究发表于《Nature Biomedical Engineering》，其研究团队来自麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）的生物工程系、大脑和认知科学系以及核科学与工程系。当然，也有来自Max Planck Institute for Biological Cybernetics和University of Texas Southwestern Medical Center的贡献。Robert Ohlendorf和Nan Li是本文的共同第一作者，论文的通讯作者为Alan Jasanoff。
研究流程与方法介绍
a) 研究流程
这项研究的核心概念是将血管内光感受器表达的光激活蛋白（bpac）用于感知生物发光源并生成血流动力学信号。具体流程如下：
光感受器蛋白bpac的体外表征：首先，检测了各种蓝色生物发光素酶的光输出，包括NanoLuc、改良型Gaussia luciferase (Gluc) 和Glucm23。研究发现Glucm23最亮，因此选择它作为后续实验的发光源。
细胞实验：选择中国仓鼠卵巢细胞（CHO）和血管平滑肌细胞（VSMCs），通过光感受器蛋白bpac引发cAMP信号传导，模拟并测试光感受器蛋白在体内引起血流动力学变化的可行性。
体内实验：光照与MRI：将含有bpac的腺病毒注射到大鼠大脑特定部位，随后进行光照实验。通过导光纤维传输蓝光，实现了光激活后局部血流的显著变化。
体内实验：检测发光异种移植细胞：在转染有bpac和发光蛋白的脑区域植入表达Glucm23的细胞。通过MRI连续扫描，检测了发光细胞在脑深处引发的血流动力学变化。
b) 主要研究结果
体外表征结果：与计量生物发光素酵素的亮度，发现Glucm23的亮度比NanoLuc和Gluc更高。这决定了选择Glucm23进行进一步研究。实验还表明，光感受器蛋白bpac能够在VSMCs中有效地产生光依赖的cAMP。
bpac光感受器在VSMCs细胞中的体外实验：实验显示，通过琼脂糖酸葡萄糖（cAMP）生产的机制，可以在光照条件下引起显著的细胞内信号。
体内光照实验结果：通过引入光感受器蛋白到大鼠脑血管，成功地在高磁场强度下检测到光感受区域的显著信号变化，证明了光引发的血流动力学信号探测的可行性。
异种移植细胞的生物发光检测：在bpac表达的脑区植入生物发光细胞后，通过连续MRI扫描成功捕捉到发光引起的血流改变，表明生物发光信号在深层脑组织中的有效检测。
研究结论与意义
研究表明，通过光激活血管平滑肌内的光感受器，可以将生物发光信号转换为血流动力学信号并使用磁共振成像进行检测。此方法显著提高了生物发光探针在深层组织中的应用范围，特别是在脑科学研究中的应用前景。
Bioluminescence当下在基础和临床前生物学中的广泛应用，使得此研究具有较高的科学价值和应用价值。例如，可以用于更深入的神经过程研究以及更精准的肿瘤检测和血管新生监控等。
研究亮点
技术创新：将生物发光信号转换为更易检测的血流动力学信号，从根本上解决了光在深层组织传播的局限性。
应用前景广阔：方法不仅适用于脑科学研究，也可拓展到其他需要深层组织成像的领域。
成像分辨率和深度：通过使用高磁场强度的MRI实现了高分辨率和深度成像，能成功地在深层脑组织中检测到生物发光信号。
此外，该研究展示了进一步优化和改进的可能性，例如，通过更均匀地分布光感受器蛋白，进而提高成像的精准度和灵敏度。研究团队的下一步工作将探索如何在整个组织类别中实现更广泛的光感受器蛋白分布，以及在其他成像模式下探测这些信号的可行性。
总结
这项研究实现了将生物发光信号通过血流动力学机制转换为能够用MRI检测的创新方法。这一突破性技术为未来光探针的深层组织应用和多种生物医学研究开辟了新的道路，也为更全面和精确的生物成像技术提供了新的思路。