用激光笔也能深入观察生物组织！UNIST开发新型光学成像技术

Published 19 May.2025 09:14(KST)

Updated 31 Jul.2025 09:50(KST)

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Park Junghoon·Joo Jinmyung教授团队开发利用特制设计纳米粒子进行深层生物组织成像技术

无需高价激光…可用于将损伤降到最低的光动力治疗，被选为《Adv. Mater.》封面

国内研究团队开发出一项新技术，即便不用价格高达数亿韩元的超高速脉冲激光，只用类似激光笔的普通光源，也能清晰拍摄生物组织内部。

UNIST生物医学工程系的 Park Junghoon、Joo Jinmyung 教授团队19日表示，他们利用特殊纳米颗粒，开发出仅用普通连续波（Continuous Wave，CW）激光就能对生物组织内部进行三维成像的非线性荧光显微成像技术。

教授 Park Junghun。

Joo Jinmyeong 教授

该技术在不使用超高速激光的情况下，也具备与其相当的分辨率和组织穿透深度，还可应用于在不损伤周围组织的前提下，仅选择性刺激病变部位的光动力治疗。

生物组织易对光产生散射，因此难以获得清晰的内部图像。基于这一原因，目前多采用仅在焦点附近产生荧光、从而滤除散射引起的背景噪声的多光子显微镜等特殊观测技术来拍摄生物组织。但多光子显微镜观测需要将高价的飞秒脉冲激光作为光源，一般医院或实验室难以配备和使用。

多光子显微镜通过这样的原理来抑制背景噪声并增强焦点：只有当来自激光光源的两个以上光子（光的粒子）同时被同一分子吸收时才会产生荧光。用普通激光光源时，两枚光子同时到达同一分子的概率极低，因此需要能瞬间提高光子密度、将光汇聚后以脉冲形式发射的飞秒激光。

联合研究团队利用“上转换纳米颗粒（Upconversion Nanoparticles，UCNPs）”，在无需飞秒脉冲激光的情况下，实现了只在焦点处诱导荧光的新技术。

基于连续波激光的上转换纳米粒子所实现的非线性荧光成像原理及其应用示例。

将纳米颗粒通过血流注入到目标生物部位后，用普通连续波激光照射，纳米颗粒会逐一吸收激光中的光子并积蓄能量，再以紫外光或蓝光荧光的形式释放出来。其发射强度具有类似光强的平方或立方那样急剧上升的非线性特性，因此只有在焦点附近等光高度集中的区域才会产生强荧光。

研究团队利用这一技术，以高分辨率成功拍摄到活体小鼠脑血管约800微米深度的图像。这一深度约为共聚焦显微镜的6倍，与多光子荧光显微镜的穿透深度相近。此外，在能够快速成像大视野的宽场模式下，也实现了以每秒30帧的速度对血流流动进行实时观测。

该技术还有望减少光动力治疗（Photodynamic Therapy，PDT）中病变外组织受损的副作用。光动力治疗是将光照射至病变部位以进行破坏的方式，但在这一过程中，光线经过路径上的正常组织时也会造成损伤。

如果利用只在焦点附近产生荧光的原理，就可以仅选择性刺激病变部位，而不影响周围组织，从而实现精确的光刺激治疗。研究团队还成功进行了利用“上转换纳米颗粒”发射的紫外光，仅在特定深度激活紫外响应性物质的实验。

本次研究由 UNIST 的 Kim Jeongmo 博士和 Lee Seunghoon 博士作为第一作者主导完成。

联合研究团队表示：“这是一项无需昂贵超高速激光，就能同时实现高分辨率生物成像和精密光治疗的技术”，“若与磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）等现有诊断设备结合使用，也将有助于在医疗现场精确追踪脑血流变化或局部代谢反应等。”

本研究在科学技术信息通信部韩国研究财团、信息通信企划评价院、阿尔茨海默病克服技术开发事业团、跨部门再生医疗技术开发事业团以及浦项制铁青岩财团等机构的支持下完成，其成果被材料科学领域世界权威期刊《Advanced Materials》选为封面论文，并于5月12日发表。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。