这种方法将帮助研究人员隔离和去除生物医学图像中的强背景噪声源，使他们能够通过一种快速发展的成像技术——光声成像——来观察、影响和成像生物过程。这项研究发表在5月19日的《自然通讯》杂志上。
顾名思义，光声成像(pA)利用光和声音捕捉全身细胞、器官和其他组织的详细图像。成像过程向组织深处发射一束激光，使细胞瞬间升温并膨胀。这就产生了一种超声波，它可以提供目标组织和细胞的结构和组成信息，这些信息可以转换成高分辨率的图像。
但是，与传统成像技术相比，光声成像的超声部分使工程师能够更深入地观察组织，同时也带来了一个问题:背景噪声。
杜克大学生物医学工程助理教授Junjie Yao说:“如果我们想要成像肿瘤是如何生长或收缩的，我们很难看到任何重要的东西，因为流动血液中的背景超声信号会掩盖一切。”“这就像试图在白天观察星星一样——来自太阳的光压倒了所有其他光源。”
由Yao和爱因斯坦大学遗传学教授Vladislav Verkhusha开发的新的基因工程小鼠模型，为研究人员提供了一种有效的方法来隔离和消除这种背景噪声。
为了实现这一点，Verkhusha和他的团队在他们的小鼠模型细胞中引入了一种特殊的光敏光感受器，称为Bphp1。通常存在于细菌中，Bphp1经常被用作基于光的研究工具，因为当它受到特定波长的光时，它可以在沉默和活跃状态之间切换。这些光敏蛋白在光声成像中非常有用，因为它们与胆绿素结合得特别好，胆绿素是一种大量出现在组织中但很少出现在血细胞中的分子。
一旦将这些蛋白质从基因上引入他们的小鼠模型，研究小组就用一种特定波长的红光照亮整个动物。这束光激活了Bph1，使小鼠改变颜色。接下来，他们用近红外光照射小鼠，使Bphp1回到沉默状态。虽然肉眼无法看到颜色的变化，但可以通过光声成像来观察。
“血液没有这种变色能力，所以当我们在两种颜色之间来回切换时，我们知道血液的背景噪音不会改变，”Yao说。“突然间，噪声变成了图像中的一个恒定分量，我们可以使用一种简单的数据处理方法来去除它。这一过程使我们的成像系统更加灵敏。”
作为概念的证明，该团队对肝脏、胃、脾脏和肠道进行了成像，以显示模型中不同器官是如何表达光感受器的。他们发现，虽然所有器官都比标准pA显示得更清楚，但脾脏和肝脏尤其精确，因为它们天生具有更高水平的Bphp1结合胆绿素分子。改进后的细节使研究团队能够更精确地监测变化，如肝脏再生，并跟踪不同蛋白质传递方法的效果。
由于Bphp1可以直接与胚胎结合，这项新技术也使研究小组能够更好地研究小鼠的妊娠情况。该团队能够使用pA从周围的血管系统和母体器官中精确地识别7个胚胎。
Yao和Verkhusha期待着扩大他们的小鼠模型的用途。其中一个探索途径是研究癌症治疗的免疫反应。Yao假设他们可以将Bphp1添加到癌细胞或免疫细胞中，观察它们在体内的迁移和对治疗的反应。
除了成像，Verkhusha和他的团队将继续探索他们的模型如何有助于光遗传学研究，包括使用光来控制细胞活动。
“对我来说，这个项目是生物化学和成像的完美结合，”Yao说。“变色鼠的想法本身就很令人兴奋，但我乐观地认为，我们可以用这种鼠来创造一些魔法。”
Ludmila A. Kasatkina, Chenshuo Ma, Mikhail E. Matlashov, Tri Vu, Mucong Li, Andrii A. Kaberniuk, Junjie Yao, Vladislav V. Verkhusha. Optogenetic manipulation and photoacoustic imaging using a near-infrared transgenic mouse model. Nature Communications, 2022; 13 (1)