城大學者研發超靈敏光聲顯微鏡 具廣泛生物醫學應用潛力
光學分辨率光聲顯微鏡（optical-resolution photoacoustic microscopy）是一種新興的生物醫學成像技術，用于研究多種疾病，例如癌癥、糖尿病及中風。然而，其靈敏度不足窒礙了這種技術進一步應用。最近，香港城市大學（城大）的研究團隊便研發出一種多光譜、超低劑量的光聲顯微鏡，在靈敏度上取得突破，有助應用于將來的新型生物醫學及臨床轉化上。
光聲顯微鏡是一種生物醫學成像技術，揉合超聲波偵測及激光誘發的光聲信號，繼而產生出仔細的生物組織影像。背后原理是用脈沖激光照射生物組織，使生物組織誘發產生超聲波，然后將感測到的超聲波轉換成電信號用以成像。這項備受關注的技術可達至毛細管或亞細胞的分辨率水平，較傳統光學顯微鏡方法的分辨率更高。但是，靈敏度不足一直窒礙這項技術的發展，限制了它的更進一步廣泛應用。
城大生物醫學工程學系副教授王立代教授解說：“高靈敏度對于高品質成像至關重要，亦有助探測不太吸收光的色團（吸收特定光波長的分子），減少光漂白和光毒反應，降低對于脆弱器官生物組織的干擾，亦可從廣泛光譜中有更多低成本及低功率的激光選擇。”
他舉例補充說，低功率激光較適合用于眼科檢查，因為它更為安全和舒適；長期監測藥物動力學或血流量則需要低劑量成像，以減輕對組織功能的干擾。
（圖片來源︰Zhang, Y. et al., source: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202302486）
為解決上述靈敏度的難題，王教授及其研究團隊最近研發出多光譜、超低劑量的光聲顯微鏡（multi-spectral, super-low-dose photoacoustic microscopy，簡稱SLD-PAM），打破了傳統光學顯微鏡上的限制，顯著提升其靈敏度約33倍。
團隊通過結合光聲傳感器的改良設計及創新的4D光譜空間過濾演算法，實現本次技術上的突破。他們改良了傳感器的設計，包括使用實驗室自訂的高數值孔徑的聲學透鏡，并改善光學和聲學光束結合器，以及改善光學和聲學的對焦。多光譜超低劑量光聲顯微鏡（SLD-PAM）還采用了一種低成本的多波長脈沖激光，可提供從綠光到紅光11個波長的光譜。其激光運作的重復頻率可高達兆赫，而且光譜轉換時間在亞微秒級別。
為展示SLD-PAM的意義及創新特點，團隊對它進行測試，以超低脈沖能量與綠光和紅光源，進行活體動物成像，并且取得重大發現。
首先，SLD-PAM能產生高質素的活體解剖和功能成像。其超低激光能量及高靈敏度顯著地減低對動物的眼睛及腦部的干擾，為臨床應用帶來新曙光。其次，SLD-PAM可在不影響影像質素的情況下，通過降低激光能量，減少約85%光漂白，并可在成像中應用更多種弱吸收或低濃度的分子探針。此外，此技術的成本大幅減低，讓研究實驗室及臨床機構更易負擔。
王教授說：“多光譜超低劑量光聲顯微鏡能對生物組織進行非侵入性成像，對測試對象造成最小的損傷，為解剖、功能和分子成像提供一個強大且具前景的工具。我們相信此項技術可有助于許多新型生物醫學的應用，為臨床轉化開辟新道路。”
接下來，王教授及他的研究團隊將會利用SLD-PAM系統，對更多種的小分子和基因編碼的生物標記物進行生物成像測試。他們亦計劃采用更多類型的低能量光源，在更廣泛光譜上研發可穿戴式或可攜式的顯微鏡。
上述研究成果已于科學期刊《先進科學》（Advanced Science）上發表，題為〈Super-Low-Dose Functional and Molecular Photoacoustic Microscopy〉。
研究論文的共同第一作者是張雅超博士及陳江波博士；通訊作者是王教授。其他共同作者包括孫紅燕教授、張捷博士、劉超博士，及城大博士生朱敬袆。上述研究人員全部來自城大。
本次研究獲香港研究資助局及國家自然科學基金委員會撥款資助。