雙光子成像應用于生物醫(yī)學領域的最新趨勢
在生物醫(yī)學研究的前沿領域，雙光子自發(fā)熒光壽命成像（2P-FLIM）技術正以其獨特的優(yōu)勢，為科學家們提供了一種全新的視角。這種技術通過測量熒光分子的壽命，而非傳統(tǒng)的熒光強度，為我們揭示了細胞代謝、分子相互作用以及疾病進程中的深層次信息。2P-FLIM技術的非侵入性、高分辨率和對復雜生物環(huán)境的適應性，使其在癌癥研究、神經(jīng)科學、傳染病和傷口愈合等多個領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。
研究背景與技術挑戰(zhàn)
細胞代謝與熒光成像
細胞代謝是維持生命活動的核心過程，涉及能量產(chǎn)生、物質合成和信號傳導等多個方面。傳統(tǒng)的熒光成像技術雖然能夠提供細胞結構和功能的可視化信息，但其對細胞代謝的動態(tài)變化缺乏敏感性。此外，熒光成像中的背景信號干擾和光漂白現(xiàn)象也限制了其在深層次組織中的應用。因此，開發(fā)一種能夠非侵入性地監(jiān)測細胞代謝變化的技術，對于生物醫(yī)學研究具有重要意義。
熒光壽命成像的優(yōu)勢
熒光壽命成像技術通過測量熒光分子從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)的平均時間（即熒光壽命），提供了一種獨立于熒光強度的新型成像參數(shù)。熒光壽命不受熒光分子濃度、光漂白和光學路徑的影響，使其成為研究細胞內(nèi)化學環(huán)境變化的理想工具。2P-FLIM技術通過雙光子激發(fā)，進一步提高了成像的深度穿透能力和空間分辨率，為活體組織的高分辨率成像提供了可能。
技術挑戰(zhàn)
盡管2P-FLIM技術具有諸多優(yōu)勢，但在實際應用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，熒光壽命的測量需要高靈敏度的探測器和復雜的信號處理算法，這增加了設備的成本和操作難度。其次，生物樣本中的多種熒光分子可能在同一像素內(nèi)共存，導致數(shù)據(jù)解釋的復雜性。此外，熒光壽命的測量對光子計數(shù)的要求較高，這在自熒光樣本中可能難以實現(xiàn)。
技術創(chuàng)新與應用
雙光子激發(fā)與數(shù)據(jù)處理
2P-FLIM技術結合了雙光子激發(fā)和時間相關單光子計數(shù)技術（TCSPC），實現(xiàn)了對深層組織的高分辨率成像。雙光子激發(fā)通過同時吸收兩個光子使熒光分子激發(fā)，這種激發(fā)方式限制了熒光發(fā)射主要發(fā)生在焦點區(qū)域，從而減少了背景信號干擾。TCSPC技術通過測量熒光衰減曲線，精確計算熒光壽命，為研究分子相互作用和代謝變化提供了新的手段。
在傳染病研究中，2P-FLIM技術被用于分析病毒和細菌感染對細胞代謝的影響。例如，在丙型肝炎病毒（HCV）感染的研究中，2P-FLIM技術通過測量細胞內(nèi)脂滴的數(shù)量和大小變化，揭示了HCV核心蛋白D2對細胞代謝的調(diào)控機制。研究發(fā)現(xiàn)，HCV感染導致細胞內(nèi)NAD(P)H的熒光壽命顯著縮短，表明自由和蛋白結合型NAD(P)H的比例發(fā)生了變化。這些發(fā)現(xiàn)為理解病毒感染的代謝機制提供了新的視角。
在神經(jīng)科學研究中的應用
2P-FLIM技術在神經(jīng)科學研究中展現(xiàn)了獨特的優(yōu)勢。通過測量神經(jīng)元中NADH的熒光壽命，研究人員能夠實時監(jiān)測細胞的能量代謝狀態(tài)。例如，在帕金森病模型研究中，2P-FLIM技術通過分析MPP+處理的PC12細胞中NADH和FAD的熒光壽命變化，揭示了線粒體功能障礙與神經(jīng)退行性病變之間的關系。此外，2P-FLIM技術還被用于研究阿爾茨海默�。ˋD）小鼠模型中大腦皮層的代謝變化，為早期診斷和治療提供了潛在的生物標志物。
成像實驗與結果分析
代謝變化的可視化
在一系列實驗中，2P-FLIM技術成功地可視化了細胞代謝的變化。例如，在對大腸桿菌感染的3T3細胞進行成像時，研究人員觀察到NADH的熒光壽命顯著縮短，表明細胞代謝從氧化磷酸化轉向糖酵解。這種代謝重編程與細菌感染引起的炎癥反應密切相關。此外，在研究沙眼衣原體感染時，2P-FLIM技術首次在高分辨率下揭示了病原體與宿主細胞代謝途徑之間的直接聯(lián)系。
蛋白質相互作用的分析
2P-FLIM技術結合福斯特共振能量轉移（FRET），為研究蛋白質相互作用提供了強大的工具。通過測量供體熒光壽命的變化，研究人員能夠實時監(jiān)測蛋白質間的相互作用。例如，在研究神經(jīng)元中Ras蛋白的活性時，2P-FLIM技術通過優(yōu)化的高靈敏度傳感器，成功捕捉到了Ras蛋白在小細胞區(qū)域內(nèi)的動態(tài)變化。這種能力為理解信號傳導途徑在神經(jīng)活動中的調(diào)控機制提供了新的視角。
在傷口愈合研究中，2P-FLIM技術通過測量NADH和FAD的熒光壽命，提供了傷口代謝活動的實時監(jiān)測手段。研究表明，在傷口愈合的早期階段，炎癥區(qū)域的代謝活動顯著增強，表現(xiàn)為NADH的熒光壽命增加。隨著愈合過程的推進，代謝活動逐漸恢復正常。此外，通過結合二次諧波生成（SHG）成像，研究人員還能夠觀察到膠原蛋白的動態(tài)變化，為評估傷口愈合的質量提供了新的指標。
總結與展望
雙光子自發(fā)熒光壽命成像（2P-FLIM）技術以其非侵入性、高分辨率和對細胞代謝變化的敏感性，正在改變生物醫(yī)學研究的格局。從傳染病到神經(jīng)退行性疾病，再到癌癥和傷口愈合，2P-FLIM技術為科學家們提供了一個全新的視角來探索生命的奧秘。盡管該技術在設備成本和操作復雜性方面仍面臨挑戰(zhàn)，但隨著顯微技術的不斷進步和數(shù)據(jù)分析算法的優(yōu)化，2P-FLIM技術有望在臨床診斷和治療監(jiān)測中發(fā)揮更大的作用。2P-FLIM技術的發(fā)展方向將集中在提高成像速度、增強信號靈敏度以及與其他成像技術的融合。此外，將2P-FLIM技術與其他先進的顯微技術（如受激拉曼散射成像和超分辨顯微鏡）相結合，有望實現(xiàn)對生物分子相互作用的多維度、高分辨率成像。這些創(chuàng)新將為生物醫(yī)學研究帶來新的突破，為疾病的早期診斷、治療效果評估和機制研究提供更強大的工具。
論文信息
聲明：本文僅用作學術目的。
Ranawat H, Pal S, Mazumder N. Recent trends in two-photon auto-fluorescence lifetime imaging (2P-FLIM) and its biomedical applications. Biomed Eng Lett. 2019 Jul 1;9(3):293-310.
DOI:10.1007/s13534-019-00119-7.
