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光声成像（PAI）在再生医学等领域应用广泛，前景广阔但面临挑战。
光声成像技术概述
光声成像（Photoacoustic Imaging，PAI），又称光声成像技术，是一种极具创新性的医学成像技术。它巧妙地融合了光学和超声技术的优势，其成像原理基于吸收的光能转化为热能，进而产生超声波，通过检测这些超声波来构建详细的图像。
PAI 可依据聚焦类型分为声聚焦和光聚焦两种。PA 信号在这两个焦点的交汇处产生，此处灵敏度最高。该技术使用的换能器具备较高的中心频率、更宽的带宽范围、出色的轴向分辨率，空间分辨率可达 900μm 以下。近年来，三维 PAI 技术取得显著进展，借助对比剂标记人类细胞，能更便捷地研究细胞的基因表达、生长以及在异种移植肿瘤小鼠体内的生物学行为。
PAI 与其他成像技术相比，具有独特的优势。它能够利用组织对光的吸收差异，提供高对比度的图像，这得益于内源性蛋白质、特殊设计的探针或纳米材料（如金纳米棒、纳米粒子）的存在。而且，PAI 可实现实时成像反馈，在治疗过程中持续监测，这是许多传统成像技术难以企及的。此外，PAI 还能进行深度组织光学光谱成像，获取组织的结构细节和成分信息，在临床应用中展现出巨大的潜力。
不过，PAI 也并非完美无缺。在实际应用中，它面临着一些挑战，例如声波信号与换能器之间的带宽失配问题，这可能导致信号传输和接收的不准确；同时，放大器产生的背景噪声也会影响图像的准确性，干扰对目标组织的观察和分析。
再生医学对先进成像技术的需求
再生医学专注于修复或替换受损的组织和器官，在这个过程中，精确地跟踪和监测治疗进展至关重要，这就高度依赖先进的成像技术。传统的成像方法，如磁共振成像（MRI）、正电子发射断层扫描（PET）、超声和荧光显微镜等，虽然在医学领域广泛应用，但都存在各自的局限性。
MRI 和 PET 虽然能够实现深层组织穿透，但它们的空间分辨率往往难以满足细胞水平观察的需求，对于微小的细胞结构和变化难以清晰呈现。荧光显微镜尽管分辨率较高，但组织穿透能力有限，而且容易出现光漂白现象，在长时间观察过程中，荧光信号会逐渐减弱，影响成像效果。CT 成像则存在电离辐射的问题，这使得它不适合在纵向研究中频繁使用，因为多次辐射可能对人体造成潜在危害。
这些传统成像技术的局限性迫切需要新的成像技术来突破。PAI 凭借其非侵入性、高分辨率和实时成像的能力，成为解决这些问题的有力候选者，为再生医学的发展带来了新的希望。
文献综述方法
为了全面且深入地探讨 PAI 在再生医学中的应用，研究人员采用了系统的文献检索方法。他们在 PubMed、Scopus 和 Web of Science 等数据库中进行搜索，使用了 “photoacoustic imaging”“regenerative medicine”“stem cell tracking”“tissue engineering”“wound healing”“contrast agents” 等关键词，并借助布尔运算符（AND、OR）对搜索结果进行精确筛选。
在搜索时，设定了一些筛选条件。时间范围限定在 2018 年至 2024 年，以确保纳入的研究包含最新的技术进展；只选择经过同行评审的文章，保证研究的科学性和可靠性；同时，仅纳入英文发表的文章。
在筛选过程中，初步搜索得到 123 篇文章，经过对摘要的仔细筛选，确定其中 45 篇与研究主题相关。进一步对这 45 篇文章进行全文审查后，最终选取 25 篇文章进行深入分析。这些文章从理论贡献、实验进展以及在再生医学中的应用等方面进行综合研究，为全面了解 PAI 在再生医学领域的现状提供了坚实的基础。
光声成像的实验设置
PAI 的核心原理是检测光能转化为热能时产生的超声波，这一过程实现了深层组织的光学光谱成像，能够清晰地展示组织的结构细节和成分。PAI 的图像对比度源于光学吸收的差异，这种差异为研究组织的化学特性提供了独特的视角。而且，用于成像的声波在穿过组织时，其传播过程中的失真极小，保证了成像的准确性。
当短脉冲光能量被组织吸收后，会引发短暂的热弹性膨胀，在照射区域产生分布式声源。PAI 通过随时间检测这些超声信号，进而重建声源的空间结构，形成图像。PAI 能够检测人体深层组织的光学对比度，突破了光学散射的限制范围，这使得它在过去二十年中备受关注，成为研究的热点技术。
PAI 不仅可以监测血红蛋白水平、血氧饱和度，还能通过光谱分析对组织进行详细的生化分析。此外，外部对比剂的使用进一步拓展了 PAI 的应用范围。例如，分子染料可用于突出淋巴系统，抗体靶向的吸收颗粒和分子能够识别特定受体，帮助观察原本不易被发现的非吸收性结构。同时，通过检测血管增生或使用基于抗体的构建体，PAI 还能够发现炎症反应，在多种疾病的诊断和研究中发挥重要作用。
光声成像在再生医学中的应用
在再生医学领域，PAI 展现出了广泛的应用价值，尤其在干细胞研究、组织工程和伤口愈合等方面成果显著。
- 干细胞研究：PAI 在干细胞研究中发挥着关键作用，能够对干细胞进行无创、实时且高分辨率的成像。借助靶向对比剂，如纳米粒子，PAI 的成像灵敏度和特异性得到进一步提升。研究人员利用近红外 - II（NIR-II）PAI 技术，成功追踪了经 CXC 趋化因子受体 3 修饰的间充质干细胞（MSCs），精准地监测了其靶向效率、迁移过程和治疗潜力评估。PAI 还能够在三维微环境中对细胞进行成像，帮助科研人员深入研究细胞在再生医学中的动态行为，为干细胞治疗的发展提供了重要支持。不过，目前 PAI 在干细胞研究中的应用大多还处于临床前阶段，存在穿透深度有限和需要临床验证等问题，有待进一步解决。
- 组织工程：在组织工程领域，PAI 主要用于研究支架血管化、细胞浸润和组织再生。将 PAI 与光学相干断层扫描（OCT）等互补成像方式相结合，能够从多个角度获取工程组织的结构和功能信息。研究人员利用 PAI 和 OCT 对生物材料支架中的血管适应性进行纵向成像，清晰地观察到血管形成和氧气输送的过程，这对于构建功能性组织支架至关重要。此外，多功能纳米探针的开发，结合了高 NIR-II PAI 和磁共振成像（MRI）性能，为监测组织再生和早期肝细胞癌提供了新的手段，有力地推动了组织工程研究的发展，有助于提高工程组织构建的临床转化效果。
- 伤口愈合：PAI 在伤口愈合研究中具有重要价值，能够对伤口愈合过程中的血管适应性、组织氧合和血管生成进行跟踪。其无创性和高分辨率的特点，使其成为临床前伤口愈合模型纵向研究的理想选择。研究人员通过光声显微镜观察皮肤伤口愈合过程中的血管适应性和氧代谢，揭示了血管重塑在组织恢复中的关键作用，为评估治疗干预措施的有效性提供了重要依据。PAI 还能够评估再生组织的氧气供应情况，这对于理解伤口愈合的动态过程至关重要，有助于开发和优化针对复杂伤口（如糖尿病伤口和慢性伤口）的治疗策略。
- 肿瘤学及跨学科应用：尽管本文重点关注 PAI 在再生医学中的应用，但它在肿瘤学领域也备受关注。PAI 可用于成像肿瘤微环境、评估治疗反应。三维多参数光声计算机断层扫描技术的进步，显著提升了对原发性和转移性肿瘤的成像能力，能够深入了解肿瘤血管和缺氧情况。研究人员利用 3D PAI 对临床前癌症模型中的肿瘤血管生成和转移进行成像，获得了高时空分辨率的图像，精确地描述了肿瘤的进展情况。还有研究使用双模态超声 / PAI 系统评估胰腺肿瘤的缺氧水平，为指导治疗策略提供了重要参考。PAI 的跨学科应用体现了其在多个医学领域的通用性和变革潜力。
光声成像的应用案例
- 干细胞追踪：在眼科疾病治疗方面，研究人员尝试利用 PAI 联合超声（US）技术追踪青光眼患者眼前段的干细胞。他们将金纳米球（AuNSs）标记的干细胞注入灌注的猪眼前段，通过单波长实时 PA 成像，成功监测到干细胞在眼内的循环和递送过程。这一技术有望成为现有追踪技术的有效补充，实现体内微创、长期的干细胞监测，推动青光眼的干细胞治疗发展，并为眼科新型成像技术的研究奠定基础。
在脊髓损伤修复的研究中，PAI 也发挥了重要作用。研究人员分别将普鲁士蓝纳米立方体（PBNCs）和纳米粒子标记的干细胞注入脊髓，借助配备特定换能器和光纤束的设备，进行实时超声 / PAI 成像，清晰地观察到干细胞的积累情况，并获得三维超声 / PAI 体积图像。这种技术为手术中干细胞的精确监测提供了有力支持，能够在治疗过程中及时调整操作，提高治疗效果，推动脊髓损伤修复的干细胞治疗技术不断进步。2. 干细胞活力评估：PAI 还能够用于评估干细胞的活力。研究人员开发了一种基于纳米粒子的方法，使用包裹 IR775c（一种对活性氧物种敏感的近红外染料）的惰性金纳米棒作为对比剂。当干细胞死亡时会产生活性氧物种，导致细胞降解，该对比剂能够据此评估间充质干细胞（MSCs）的活力并追踪其位置。实验结果显示，移植到小鼠体内的 MSCs 在 24 小时内出现大量死亡，10 天后存活率仅为 5% 。这一技术实现了对干细胞活力的实时监测，有助于深入理解干细胞治疗的机制，为优化临床治疗方案提供了重要依据。3. 干细胞递送指导：在手术过程中，PAI 能够为干细胞的递送提供精确指导。研究人员采用纳米粒子标记干细胞，结合超声和 PAI 成像技术，在向脊髓递送干细胞时，能够准确引导针头的放置，减少对周围组织的损伤风险，提高治疗效果。该技术具有高灵敏度，能够检测到少量的干细胞（低至 1000 个细胞）并精确定位，为干细胞治疗提供了更安全、更精确的方法，展现出 PAI 在临床应用中的巨大潜力。4. 干细胞定量：PAI 在体内干细胞定量方面也具有优势。研究人员使用二氧化硅包被的金纳米棒作为对比剂，能够在体内检测到低至 100,000 个细胞，具有高空间分辨率（几百微米）和短时间分辨率（0.2 秒）。这种技术不仅能够准确量化干细胞数量，而且不会影响干细胞的治疗效果，为评估干细胞治疗的剂量和疗效提供了重要手段，推动了再生医学中干细胞治疗的精准化发展。5. 甲状腺癌诊断辅助：PAI 在肿瘤学领域，尤其是甲状腺癌诊断方面，展现出了潜在的应用价值。研究发现，PAI 能够提供关于血管和组织特异性特征的详细信息，有望提高甲状腺癌诊断的准确性，减少对侵入性检查的依赖。研究人员使用金纳米笼（AuNCs）标记间充质干细胞，并将其注入小鼠耳部肿瘤，通过不同波长的光声成像，成功区分了肿瘤区域的不同成分，包括血管和标记的干细胞。这一技术为甲状腺癌的诊断提供了新的思路和方法，展示了 PAI 在癌症诊断领域的应用前景。
光声成像的发展前景与挑战
PAI 作为一种创新的医学成像技术，在再生医学和肿瘤学等领域展现出了巨大的潜力。它能够实现高分辨率、实时、无创的成像，为跟踪和评估干细胞、辅助治疗过程、准确评估细胞活力提供了有力的工具。在眼科和脊髓损伤的干细胞治疗中，PAI 已取得了初步的研究成果，同时在癌症诊断方面也显示出了一定的优势。
然而，目前 PAI 在临床转化方面仍处于早期阶段。在再生医学领域，大多数应用还局限于临床前研究，距离广泛的临床应用还有一定的距离。PAI 面临着一些技术挑战，如成像深度有限，这限制了其对深层组织的观察能力；此外，技术的可扩展性和监管审批也是需要解决的问题。带宽失配和背景噪声等问题也会影响图像质量，降低成像的准确性。
不过，近年来混合成像系统和功能性对比剂的发展为克服这些挑战提供了可能。随着研究的不断深入，PAI 有望与现有的临床金标准成像技术相互补充，为再生医学的研究和治疗带来新的突破。未来的研究应着重开展临床试验，验证 PAI 在人类再生治疗中的安全性和有效性，推动这一技术在临床实践中的广泛应用，为医学领域的发展做出更大的贡献。
