腫瘤微環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化（如異常血管生成、局部缺氧）是影響腫瘤進(jìn)展、轉(zhuǎn)移及治療響應(yīng)的核心因素。傳統(tǒng)成像技術(shù)（如病理切片、熒光成像）或因侵入性強(qiáng)無法動(dòng)態(tài)追蹤，或因組織穿透淺難以量化深層微環(huán)境特征，制約了腫瘤機(jī)制研究與藥物研發(fā)。小動(dòng)物活體光聲成像技術(shù)憑借 “光學(xué)分子特異性 + 超聲深層穿透” 的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了腫瘤微環(huán)境的無創(chuàng)、實(shí)時(shí)、多參數(shù)可視化，成為破解血管生成與缺氧研究瓶頸的核心工具。
一、技術(shù)原理：融合光學(xué)與超聲的微環(huán)境 “透視鏡”
光聲成像的核心原理是 “光吸收 - 聲波產(chǎn)生” 的能量轉(zhuǎn)換：系統(tǒng)通過脈沖激光照射小動(dòng)物腫瘤部位，腫瘤組織內(nèi)的特異性吸收體（如血紅蛋白、缺氧探針）吸收光能后瞬間升溫膨脹，產(chǎn)生微弱的超聲信號(hào)（即光聲信號(hào)）；超聲探測(cè)器捕獲該信號(hào)后，經(jīng)算法重構(gòu)生成高分辨率的三維圖像。
相較于傳統(tǒng)技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)顯著：一是深層組織穿透能力，可實(shí)現(xiàn) 5-15mm 深度的腫瘤成像，突破熒光成像（<2mm）的穿透局限，覆蓋小鼠皮下瘤、原位瘤（如乳腺原位瘤、腦原位瘤）的全層微環(huán)境；二是功能與結(jié)構(gòu)成像結(jié)合，既能通過血紅蛋白的光吸收特性（ oxy-Hb 吸收峰 542nm、deoxy-Hb 吸收峰 577nm）量化血管血氧飽和度，又能結(jié)合特異性分子探針（如缺氧敏感探針、血管內(nèi)皮標(biāo)志物探針）定位功能異常區(qū)域；三是無創(chuàng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可對(duì)同一小鼠腫瘤進(jìn)行連續(xù) 7-14 天的追蹤成像，避免傳統(tǒng)病理切片 “犧牲動(dòng)物、靜態(tài)快照” 的缺陷，獲取微環(huán)境動(dòng)態(tài)演變數(shù)據(jù)。
二、核心應(yīng)用一：腫瘤血管生成的動(dòng)態(tài)量化與藥物評(píng)估
腫瘤血管生成（從無血管期到異常血管網(wǎng)絡(luò)形成）是腫瘤增殖的關(guān)鍵步驟，傳統(tǒng)方法僅能通過免疫組化檢測(cè)血管密度（CD31 陽性區(qū)域），無法反映血管功能與動(dòng)態(tài)變化。光聲成像通過多參數(shù)分析，實(shí)現(xiàn)了血管生成的 “全景式” 研究：
在血管生成動(dòng)態(tài)追蹤中，研究人員利用光聲成像監(jiān)測(cè)小鼠 Lewis 肺癌模型的血管發(fā)育過程：接種后第 3 天，可檢測(cè)到腫瘤邊緣少量 “萌芽狀” 血管（直徑 < 10μm），光聲信號(hào)強(qiáng)度較弱；第 7 天，血管網(wǎng)絡(luò)快速擴(kuò)張，出現(xiàn)扭曲、分支紊亂的異常血管（直徑 20-50μm），且 oxy-Hb/deoxy-Hb 比值從 0.8 升至 1.5，提示血管灌注功能初步形成；第 14 天，腫瘤中心血管因壓迫出現(xiàn)閉塞，deoxy-Hb 信號(hào)顯著增強(qiáng)，形成局部低氧區(qū)域。這一動(dòng)態(tài)過程的捕捉，修正了 “腫瘤血管生成僅依賴 VEGF 單一信號(hào)” 的傳統(tǒng)認(rèn)知，發(fā)現(xiàn) Ang-2 信號(hào)在血管分支紊亂階段的關(guān)鍵調(diào)控作用。
在抗血管生成藥物研發(fā)中，光聲成像成為藥效評(píng)估的 “金標(biāo)準(zhǔn)”。以抗 VEGF 藥物貝伐珠單抗為例，對(duì)小鼠結(jié)腸癌模型給藥后，通過光聲成像連續(xù)監(jiān)測(cè)：給藥第 2 天，腫瘤血管 oxy-Hb 信號(hào)下降 30%，提示血管灌注減少；第 5 天，異常血管分支數(shù)量減少 40%，血管直徑趨于均一（15-25μm）；第 7 天，腫瘤體積抑制率達(dá) 50%，且光聲量化的血管密度與病理檢測(cè)結(jié)果一致性達(dá) 90%。相較于傳統(tǒng)腫瘤體積測(cè)量，光聲成像可提前 3-5 天發(fā)現(xiàn)藥物對(duì)血管功能的影響，大幅縮短藥物篩選周期。
三、核心應(yīng)用二：腫瘤缺氧區(qū)域的精準(zhǔn)定位與機(jī)制解析
腫瘤缺氧（氧分壓 <10mmHg）是導(dǎo)致放療抵抗、免疫逃逸的重要原因，傳統(tǒng)缺氧檢測(cè)依賴侵入性氧電極或離體組織染色，無法實(shí)現(xiàn)活體原位定位。光聲成像通過 “特異性探針 + 多波長(zhǎng)分析”，解決了缺氧研究的 “定位難、量化難” 問題：
在缺氧區(qū)域動(dòng)態(tài) mapping中，研究人員采用缺氧敏感光聲探針（如 IR-780 修飾的納米探針，缺氧環(huán)境下吸收峰從 680nm 紅移至 720nm），對(duì)小鼠黑色素瘤模型進(jìn)行成像：腫瘤邊緣區(qū)域因血管豐富，oxy-Hb 信號(hào)強(qiáng)，缺氧探針信號(hào)弱（氧分壓 15-20mmHg）；腫瘤中心區(qū)域（距離邊緣 > 500μm），deoxy-Hb 信號(hào)增強(qiáng)，缺氧探針信號(hào)顯著升高（氧分壓 <5mmHg），且該區(qū)域與后續(xù)病理檢測(cè)的缺氧標(biāo)志物（HIF-1α 陽性區(qū)域）重疊率達(dá) 85%。更重要的是，光聲成像發(fā)現(xiàn)缺氧區(qū)域并非 “靜態(tài)固定”—— 在腫瘤生長(zhǎng)過程中，缺氧區(qū)域會(huì)隨血管閉塞、腫瘤細(xì)胞增殖動(dòng)態(tài)遷移，每 3 天約有 10%-15% 的區(qū)域發(fā)生缺氧狀態(tài)轉(zhuǎn)換。
在缺氧與免疫治療響應(yīng)關(guān)聯(lián)研究中，光聲成像揭示了關(guān)鍵機(jī)制：對(duì)小鼠 CT26 結(jié)直腸癌模型進(jìn)行 PD-1 抑制劑治療，光聲成像發(fā)現(xiàn) “缺氧改善程度” 與治療效果顯著相關(guān) —— 治療有效組（腫瘤縮小 > 50%）的缺氧區(qū)域面積在第 7 天減少 60%，oxy-Hb/deoxy-Hb 比值從 0.6 升至 1.2；而治療無效組的缺氧區(qū)域無明顯變化，且 HIF-1α 表達(dá)持續(xù)升高。進(jìn)一步研究證實(shí)，缺氧環(huán)境會(huì)抑制 T 細(xì)胞浸潤(rùn)（CD8+T 細(xì)胞數(shù)量減少 40%），而光聲成像可通過監(jiān)測(cè)缺氧改善情況，提前預(yù)測(cè)免疫治療響應(yīng)，為個(gè)性化治療提供依據(jù)。
四、前沿技術(shù)進(jìn)展與未來展望
當(dāng)前，小動(dòng)物活體光聲成像正朝著 “更高分辨率、更多參數(shù)、更精準(zhǔn)干預(yù)” 方向發(fā)展：一是超分辨光聲成像技術(shù)（如光聲顯微鏡）的應(yīng)用，將空間分辨率提升至 1μm，可觀察腫瘤毛細(xì)血管（直徑 < 5μm）的內(nèi)皮細(xì)胞形態(tài)變化；二是多模態(tài)融合技術(shù)（光聲 - 熒光、光聲 - PET），例如光聲成像定位缺氧區(qū)域后，通過 PET 成像量化該區(qū)域的葡萄糖代謝活性，實(shí)現(xiàn) “功能 - 代謝” 的協(xié)同分析；三是智能算法集成，結(jié)合深度學(xué)習(xí)自動(dòng)識(shí)別血管異常區(qū)域、量化缺氧程度，將數(shù)據(jù)分析效率提升 10 倍，避免人工標(biāo)注誤差。
未來，隨著靶向性更強(qiáng)的分子探針（如靶向腫瘤干細(xì)胞的缺氧探針）研發(fā)，以及光聲成像與光遺傳調(diào)控的結(jié)合（通過光聲信號(hào)觸發(fā)光刺激，調(diào)控缺氧區(qū)域的基因表達(dá)），該技術(shù)將實(shí)現(xiàn) “成像 - 分析 - 干預(yù)” 的閉環(huán)，進(jìn)一步深化對(duì)腫瘤微環(huán)境調(diào)控機(jī)制的認(rèn)知，加速抗血管生成藥物、缺氧靶向藥物的臨床轉(zhuǎn)化，為精準(zhǔn)腫瘤治療提供更強(qiáng)大的技術(shù)支撐。
總結(jié)
小動(dòng)物活體光聲成像憑借無創(chuàng)動(dòng)態(tài)、深層穿透、多參數(shù)量化的優(yōu)勢(shì)，徹底改變了腫瘤微環(huán)境研究 “靜態(tài)、局部、侵入性” 的傳統(tǒng)范式。在腫瘤血管生成研究中，它實(shí)現(xiàn)了血管結(jié)構(gòu)與功能的動(dòng)態(tài)追蹤；在缺氧研究中，它完成了缺氧區(qū)域的精準(zhǔn)定位與機(jī)制解析。作為連接基礎(chǔ)研究與臨床轉(zhuǎn)化的 “橋梁”，該技術(shù)不僅為腫瘤微環(huán)境機(jī)制研究提供了全新視角，更在藥物研發(fā)、治療效果評(píng)估中展現(xiàn)出不可替代的價(jià)值，有望推動(dòng)腫瘤研究向 “精準(zhǔn)化、動(dòng)態(tài)化” 方向持續(xù)邁進(jìn)。
