一种结合光学相干断层扫描和拉曼光谱的新型无标记功能分子和结构成像系统，用于大鼠视网膜的体内测量

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结合光学相干断层扫描和拉曼光谱的新型无标记功能分子和结构成像系统

跨光学革命：融合光学相干断层成像与拉曼光谱技术的多模态视网膜成像系统开发

研究背景与意义

视网膜组织中分子信息的获取是实现眼科及神经退行性疾病早期诊断的关键之一。然而，目前视网膜成像的金标准——光学相干断层成像(Optical Coherence Tomography, OCT)及其功能扩展技术光学相干断层血管成像(OCTA)，仅能提供视网膜的结构和血流灌注信息。尽管这些技术在诊断糖尿病性视网膜病变和与中枢神经系统疾病（如阿尔茨海默病和多发性硬化症）相关的视网膜和血管变化方面有显著价值，但它们对疾病来源的特异性不足。这是因为这些结构和血管生物标志物之间存在显著重叠，很难区分不同疾病。

为了弥补这一不足，拉曼光谱(Raman Spectroscopy, RS)作为一种基于光的分子传感技术被提出。拉曼光谱通过检测光的非弹性散射，获取样本化学键的振动模式，从而提供独特的分子指纹信息。这项技术早已被成功用于区分肿瘤组织与健康组织。然而，在视网膜的实际应用中，受限制于光学功率水平和视网膜的高自体荧光(background autofluorescence)，拉曼光谱的应用依然受到挑战。

在过往的研究中，一些学者尝试将OCT与拉曼光谱的双模态成像相结合，用于组织分析和病理研究，但未能全面证明其在小动物或人体视网膜的体内应用可行性。因此，本研究的主要目标是开发一个联合OCT和拉曼光谱技术的眼部安全多模态成像系统，初步验证其在活体环境下对大鼠视网膜的分子、功能和结构测量的应用潜力。

论文来源与作者

这篇论文发表在2025年2月1日的《Biomedical Optics Express》（第16卷第2期）上，作者团队包括Ryan Sentosa等人，论文由多个国际团队共同完成。主要合作机构包括维也纳医科大学临床医学物理与生物医学工程中心（奥地利）、Carl Zeiss AG（德国）、TNO光学部门（荷兰）、Horiba France SAS（法国）等。此外，多个作者代表其所属公司Carl Zeiss Meditec Inc和Innolume GmbH提供技术支持。这项工作得到了Optica开放出版计划资助。

研究方法与工作流程

1. 系统设计与方法开发

研究中提出了一种多模态成像系统，融合了红外眼底成像(IR Fundus Imaging)、高速扫频光学相干断层成像(Swept-Source OCT)以及非共振拉曼光谱(Non-Resonant Raman Spectroscopy)。该系统被调整到符合激光安全标准，同时支持鼠类小动物的体内测量。

系统架构：

  • 红外眼底成像系统： 用于样本对准/初步定位，基于730nm的宽谱LED阵列；光功率约为1mW，刷新率5Hz。
  • 光学相干断层成像： 采用中心波长1060nm的扫频光源，提供三维结构与血流信息。系统调整后支持59°的广视场视野。
  • 拉曼光谱模块： 以785nm连续波二极管激光器作为激发源，光功率为1mW，并结合了一套多模式光纤及创新型光学设计用于信号收集。

实验样本：

  • 人工眼模型验证： 使用精心设计的多模态眼模型，包括具备三层视网膜与血管结构的模拟体。
  • 实验大鼠： 使用一只8周龄的Sprague Dawley白化大鼠，在麻醉下进行测试。为了减少视网膜色素对拉曼信号的干扰，选择了低自体荧光的白化大鼠模型。

2. 数据采集与分析流程

实验操作：

  1. 首先通过红外眼底成像定位并对齐样本。
  2. 然后使用OCT测量获取视网膜的体积数据及血流灌注信息。
  3. 在OCT数据指导下，选择特定位置进行拉曼光谱采集。
  4. 每次拉曼光谱采集为30秒，体内实验累积并平均获得15次结果。

数据处理：

  • 图像处理： 对眼底及OCT数据使用傅里叶滤波、色散补偿，以及基于相位变化的血流提取算法。
  • 光谱分析： 拉曼光谱使用Savitzky–Golay滤波平滑、基底校正和归一化处理，分析波数400–2400 cm⁻¹范围内的生物组织拉曼特征。

研究结果

1. 多模态眼模型验证

通过人工眼模型的成像测试发现： - 红外眼底成像： 可清晰分辨视网膜中三个模拟血管的吸收特征。 - OCT图像： 三层视网膜及其血管结构被精确捕获，其中较低折射率差的区域呈现较低对比度。 - 拉曼光谱： 背景与血管位置的光谱清晰分离，特征波数如679, 747, 953, 1450 cm⁻¹也对应模拟材料中的蓝色颜料分子（Phthalo Blue）成分。

2. 白化大鼠体内测试

  • OCT结果： 获取了视网膜的三维结构和血流灌注信息。
  • 拉曼结果： 在未受干扰的条件下，清晰检测到了与蛋白质、脂质密切相关的生物分子振动模式，包括：
    • 胆固醇特征（702 cm⁻¹）
    • 胱氨酸的C-S伸缩模式（661 cm⁻¹）
    • 赖氨酸和酪氨酸的环呼吸模式（852 cm⁻¹）

研究意义与创新

1. 科学意义

本文首次实现了非共振拉曼光谱技术对活体小动物视网膜的分子成像。这不仅对揭示视网膜的分子组成具有科学价值，还为研究神经退行性疾病的分子机制提供了重要利器。

2. 临床及应用价值

研究提供了一种非侵入性、标签自由的新工具，未来可用于诊断眼病（如糖尿病性视网膜病变）及中枢神经疾病。其多模态特征使其在早期诊断和病程监测中潜力无限。

3. 创新与亮点

  • 系统完美结合了OCT与拉曼光谱的优点，实现功能与分子信息的互补。
  • 在激光安全标准下获得了可靠数据，适用于长期纵向研究。
  • 使用白化大鼠模型显著减少了视网膜色素干扰，为未来小动物研究设立了新标准。

展望

未来的发展方向包括进一步优化拉曼信号强度，扩展高波数区域的分子检测，并探索其在人眼中的应用。此外，结合自适应光学技术提升拉曼的空间分辨率，也将是进一步研究的重要目标。总之，该研究为多模态光学成像技术在生物医学应用领域开辟了新的可能性。