急性腎損傷(AKI)是一種常見的臨床病癥,與慢性腎臟病的發(fā)生發(fā)展密切相關,給患者帶來沉重的負擔。早期準確診斷AKI對于改善預后至關重要。目前的診斷方法多依賴于生物標志物和腎功能指標的檢測,但存在回顧性、不敏感和潛在不準確等缺陷,難以滿足臨床需求。因此,開發(fā)能夠實時、無創(chuàng)、定量監(jiān)測腎臟微循環(huán)結構和功能變化的新技術迫在眉睫。
美國伊利諾伊大學團隊開發(fā)的無標記雙模態(tài)光聲-超聲定位成像系統(tǒng)(PAUL),通過融合紅細胞運動追蹤與血紅蛋白光譜特性,首次實現(xiàn)26微米級三維腎臟微血管網(wǎng)絡可視化,并同步量化血流動力學與組織氧合參數(shù)。發(fā)表于《Advanced Science》的研究,不僅為AKI機制研究提供全新工具,更標志著無創(chuàng)微循環(huán)成像技術邁入多參數(shù)動態(tài)評估的新紀元。
研究背景與技術挑戰(zhàn)
急性腎損傷的臨床診斷困境
AKI的病理本質是腎臟微循環(huán)障礙引發(fā)的缺氧與炎癥級聯(lián)反應,但早期微血管收縮、毛細血管密度下降等變化難以被常規(guī)檢測捕捉。臨床依賴的腎功能指標通常在組織損傷發(fā)生后24-72小時才顯著升高,且易受肌肉代謝、血容量等因素干擾。
現(xiàn)有影像技術的局限性
MRI灌注成像需注射釓造影劑,存在腎源性纖維化風險;光學顯微技術雖達細胞級分辨率,但穿透深度不足1mm;超聲多普勒受限于百微米級空間分辨率,無法區(qū)分相鄰毛細血管。盡管微泡增強超分辨超聲可將分辨率提升至10微米級,但造影劑代謝快、重復注射成本高,難以支持長期縱向研究。
技術創(chuàng)新與應用
無標記超聲定位成像突破微血管可視化
研究團隊開發(fā)了基于紅細胞自發(fā)運動的超分辨算法:通過500Hz高速幀頻捕捉血流信號,利用點擴散函數(shù)相關分析定位單個紅細胞,累計5秒數(shù)據(jù)即可重建微血管網(wǎng)絡。相比傳統(tǒng)多普勒超聲,該方法將分辨率從123μm提升至26μm,且無需外源造影劑,首次實現(xiàn)無損、連續(xù)的微循環(huán)觀測。
三維多參數(shù)成像系統(tǒng)整合
定制化線性陣列探頭集成激光光纖束,通過機械掃描獲取三維數(shù)據(jù):超聲通道記錄血流信號,光聲通道同步采集氧合信息。系統(tǒng)在15MHz頻率下實現(xiàn)10.5mm成像深度,信噪比始終高于25dB,滿足全腎覆蓋需求。這種硬件-算法協(xié)同創(chuàng)新,使血管密度、相對血容量、區(qū)域氧合度的定量分析成為可能。
成像實驗與結果分析
缺血再灌注模型的縱向監(jiān)測
建立小鼠單側腎動脈夾閉模型,術后72小時內分5個時間點進行PAUL掃描。三維重建顯示:術后24小時腎皮質微血管密度下降67%,氧合水平降低16.6%;至72小時仍存在54%血管丟失和14.1%氧合缺損。特定區(qū)域分析發(fā)現(xiàn),近缺血區(qū)的弓形動脈分支出現(xiàn)選擇性退化,而遠離損傷灶的葉間血管呈現(xiàn)自發(fā)再生跡象。
組織病理學與炎癥指標驗證
H&E染色證實手術組出現(xiàn)腎小管上皮肥厚(補償性代謝增強)及髓質透明管型(腎小球濾過屏障損傷)。血液檢測顯示促炎因子IL-6、TNF-α分別上升8倍和1.8倍,抗炎因子IL-10同步升高,印證成像發(fā)現(xiàn)的炎癥擴散。這種多維度數(shù)據(jù)交叉驗證,構建起從微循環(huán)障礙到器官功能衰竭的完整證據(jù)鏈。
總結與展望
無標記雙模態(tài)PAUL成像技術為腎臟生理研究和AKI早期診斷提供了全新的視角,其無需對比劑、高分辨率、多參數(shù)成像的特點使其在臨床應用中具有巨大潛力。未來,隨著技術的進一步優(yōu)化和推廣,有望在更廣泛的臨床場景中發(fā)揮作用,為腎臟疾病的研究、診斷和治療效果評估提供更為精準的手段。然而,目前該技術仍存在一些局限性,如成像深度和速度的平衡問題、運動偽影的影響等,需要在后續(xù)研究中加以改進。同時,進一步探索其在其他類型腎臟疾病及不同物種中的應用價值,也將是未來研究的重要方向。
論文信息
聲明:本文僅用作學術目的。
Zhao S, Zhang X, Bailey K, Pai S, Zhao Y, Chen YS. Label-Free Dual-Modal Photoacoustic/Ultrasound Localization Imaging for Studying Acute Kidney Injury. Adv Sci (Weinh). 2025 Mar 11:e2414306.
DOI:10.1002/advs.202414306.