研究背景與技術挑戰
光學成像的局限性
光學成像技術在生物醫學領域有著廣泛應用，但其發展一直受到光學顯微鏡的衍射極限和光子散射問題的限制。衍射極限使得傳統光學顯微鏡的分辨率被限制在幾百納米以內，而光子散射則導致成像深度超過幾百微米后分辨率急劇下降。盡管超分辨成像技術如STED、RESOLFT、PALM 和STORM等部分突破了衍射極限，但在深層組織成像時仍難以避免光子散射的影響。

光聲超聲成像的優勢與挑戰
光聲超聲成像技術通過檢測光吸收后產生的超聲波進行成像，利用超聲波的傳播特性，受光子散射影響較小，能夠在更深的組織層次實現高分辨率成像。例如，光聲超聲成像可以通過測量血紅蛋白吸收光產生的信號，詳細可視化活體內的血管結構，并解析血管和組織的血氧飽和度。然而，光聲超聲成像在生物醫學成像領域的廣泛應用仍面臨挑戰。一個關鍵問題是如何在復雜的生物組織背景下，實現對特定細胞或分子的高對比度成像。由于大多數生物靶標在可見光范圍內并非主要的光吸收體，現有的光聲造影劑在與組織背景的光吸收競爭中面臨困境。

技術創新與應用
光開關技術的引入
光開關技術通過控制標記物與光聲信號生成相關的屬性，如吸收系數、光聲信號生成效率或分子數量等，實現對光聲信號的調制。光開關分子在特定波長的光照射下可以在兩種不同吸收光譜的狀態之間轉換。通過交替使用兩種波長的光脈沖，控制標記物在兩種狀態之間切換，并在光聲成像過程中實時調制信號。這種時空調制的光聲信號能夠有效區分標記物產生的信號和背景組織產生的信號，顯著提高成像的對比度和靈敏度。

信號時間控制的不同機制的圖示

多路復用成像與生物傳感
光開關技術不僅提高了光聲超聲成像的對比度和靈敏度，還為多路復用成像提供了可能。由于不同光開關標記物具有獨特的光開關動力學特性，可以通過識別這些特性來區分多種標記物。例如，在一項實驗中，研究人員通過分析不同光開關蛋白的光開關衰減動力學，成功區分了三種不同的標記物。此外，光聲超聲成像技術在生物傳感領域也展現出獨特價值，例如開發基于光開關蛋白的鈣離子傳感器，監測鈣離子濃度的變化來研究細胞的生理活動。

成像實驗與結果分析
腫瘤成像實驗
在一項針對腫瘤成像的研究中，研究人員將表達光開關蛋白 RpBphP1 的 U87 細胞植入小鼠體內，通過交替使用 630nm 和 780nm 的脈沖光照射，并利用 512 元環陣列超聲探測器進行檢測，成功實現了對植入細胞位置的可視化。即使在 10mm 深度處也能以約 80 的對比度噪聲比（CNR）檢測到每體素約 3×103 個細胞。這表明光聲超聲成像技術能夠在較深的組織層次實現對腫瘤細胞的高靈敏度檢測。

總結與展望
光聲超聲成像技術作為一種新興的生物醫學成像手段，憑借其高分辨率、深層次成像以及良好的生物相容性等優勢，在生物醫學研究和臨床診斷領域具有廣闊的應用前景。光開關技術的引入，為解決光聲成像中的背景信號干擾問題提供了有效的解決方案，顯著提高了成像的對比度和靈敏度，并拓展了光聲成像的多路復用能力和生物傳感應用。但光聲超聲成像技術的發展仍面臨一些挑戰。例如，光開關標記物的性能有待進一步優化，包括提高其光穩定性、增強光開關效率、降低毒性等；成像系統的硬件設備仍需不斷改進，以提高成像速度、分辨率和靈敏度；此外，如何將光聲超聲成像技術更好地與其他成像技術進行融合，實現優勢互補，也是未來研究的重要方向。隨著光聲超聲成像技術的不斷創新和完善，我們有理由相信，它將在生物醫學領域發揮越來越重要的作用。

論文信息
聲明：本文僅用作學術目的。
Stiel AC, Ntziachristos V. Controlling the sound of light: photoswitching optoacoustic imaging. Nat Methods. 2024 Nov;21(11):1996-2007.

DOI:10.1038/s41592-024-02396-2.