微血管无标记超分辨光声成像技术助力研究微血管健康与疾病
微血管功能与氧代谢是维持组织和器官健康的核心。然而，目前仍缺乏能够在单红细胞水平上对三维微血管网络中的氧动力学进行无标记成像的方法。近日，一项突破性研究成功开发出超分辨率功能光声显微镜技术。该技术通过在双波长激发下时空追踪红细胞的运动，不仅重建了可与双光子显微镜相媲美的超分辨率三维微血管结构，还能定量测量红细胞流速和血氧饱和度。在活体小鼠实验中，该技术清晰揭示了单血管中风后三维微血管网络中氧气与血流动力学的重新分布。这项研究为氧代谢成像填补了关键空白，为研究微血管健康与疾病提供了前所未有的功能洞察新工具。
这项重要研究由 Fenghe Zhong, Zhuoying Wang, Youngseop Lee, Jiaxiao Han, Naidi Sun, Shuo Yang, Shengyun Ji, Hao F. Zhang, Cheng Sun 和 Song Hu 共同完成。研究成果以题为 “Super-resolution functional photoacoustic microscopy via label-free cell tracking” 的论文形式，于 2026年 发表在 《Light: Science & Applications》 期刊上。
重要发现
01核心技术：基于透明微环谐振器的高速功能光声显微镜系统
为实现超分辨率功能成像，研究团队首先构建了一套高速功能光声显微镜系统。该系统核心创新在于使用了一个纳米压印制造的透明微环谐振器作为超声探测器。其工作原理是：双波长纳秒脉冲激光通过二维振镜扫描，聚焦到小鼠脑组织并被血红蛋白部分吸收，产生超声信号。这部分反向传播的超声波会调制微环谐振器的共振光谱，通过监测连续波探测激光的强度变化，即可解调出光声信号波形。
该设计巧妙结合了高灵敏度与大视场。通过比例-积分-微分控制器动态锁定探测激光波长至谐振峰，系统能够补偿环境温度波动或激光引起的漂移，确保了长时间成像的稳定性。这套系统实现了15赫兹的体积成像速率和1千赫兹的B扫描速率，为后续时空追踪快速运动的单个红细胞奠定了硬件基础。
02从实时成像到超分辨率：时空红细胞追踪策略尽管上述实时功能光声显微镜能以前所未有的速度提供微血管血氧和血流的动态信息，但其轴向分辨率仍受限于探测声信号的带宽，存在明显的各向异性。为突破这一限制，研究团队将技术推进至超分辨率领域，其关键便是对红细胞进行时空追踪。
与以往仅从单帧图像中定位静态红细胞位置并进行叠加的“定位”策略不同，超分辨率功能光声显微镜通过连续采集高频B扫描图像，追踪红细胞在序列帧间的运动轨迹。具体而言，系统以千赫兹速率重复对同一位置进行B扫描，通过算法识别并关联不同帧中同一红细胞的位移，从而编译出完整的运动轨迹。这些轨迹的集合便重建出超分辨的三维微血管网络。更重要的是，基于轨迹的方向可以确定血流方向，根据帧间位移和已知帧率则可计算出流速。通过优化B扫描的驻留时间（即重复扫描帧数），研究在成像速度与重建保真度之间取得了最佳平衡，最终实现了约1.3微米的近乎各向同性的空间分辨率。
03权威验证：与金标准双光子显微镜的并排比对为验证超分辨率功能光声显微镜的分辨率提升，研究团队在同一个活体动物体内，将其与传统的金标准——双光子显微镜进行了并排直接比较。结果显示，超分辨率功能光声显微镜重建的二维投影图像，尤其在轴向分辨率上，较传统光声显微镜有显著提升。与同一皮层区域的双光子显微镜图像直接对比证实，超分辨率重建的微血管结构具有高度保真度。对选定微血管的横截面轮廓分析进一步表明，超分辨率功能光声显微镜达到了与双光子显微镜相当的三维分辨率水平。三维微血管图像的结构相似性定量分析也显示，超分辨率功能光声显微镜与双光子显微镜的相似性指数 consistently 高于0.9，远超过传统光声显微镜。这些结果共同证实，该技术实现了真正的三维单红细胞分辨率。
04功能成像实践：三维微血管血氧与血流测绘
借助双波长激发，超分辨率功能光声显微镜能够实现微血管血氧饱和度的三维成像。通过沿两个横向方向采集高频B扫描并分别进行红细胞追踪，可以量化X-Z和Y-Z平面内的速度分量，再通过矢量合成获得基于单个像素的三维合速度。最终，技术能够同步生成超分辨的三维微血管结构、血氧饱和度图以及三维血流速度图。结合高分辨的血管结构和流速测量，研究还在多个血管分叉点定量验证了血流流入与流出速率的守恒关系，证明了测量结果的可靠性。
05应用展示：揭示单血管中风后的功能重塑
为展示该技术的实用性，研究团队将其应用于小鼠大脑单支软脑膜小动脉闭塞模型。对闭塞部位周围区域进行成像发现，单支小动脉的中风能在皮层三维微血管网络中引发广泛的血流动力学和氧代谢变化。通过对超分辨三维血管网络进行分割和定量分析，技术清晰地捕捉到了个别微血管的血流灌注丧失、血流方向逆转、流速变化以及伴随的血氧饱和度改变。这些响应共同指向了一种氧气-血流动力学的重新分布模式：靠近闭塞部位的血管要么失去灌注，要么血氧饱和度降低；而平行的血管则表现出流速升高，下游血管甚至出现血流方向逆转和流速增加。这种重新分布反映了侧支循环的募集，以恢复缺血组织的氧供。
创新与亮点
本研究的核心突破在于解决了长期存在的技术难题：如何在不使用外源性标记物的前提下，以单红细胞分辨率对活体三维微血管网络同时进行结构、血氧和血流的功能成像。传统荧光技术无法测血氧；双光子显微镜结合磷光染料虽可测氧分压但速度慢；传统光声显微镜则受限于轴向分辨率。超分辨率功能光声显微镜通过两大创新跨越了这些障碍：一是基于透明微环谐振器的高速探测系统，实现了高灵敏度、大视场下的快速成像，为追踪红细胞提供了可能；二是首创的时空红细胞追踪算法，不仅能重建超分辨结构，还能直接衍生出血流速度和方向信息。
这项技术在光学生物医疗领域展现出巨大的实际价值。它首次实现了无标记、高分辨率、三维、多参数（结构、血氧、血流）的微血管功能成像。在神经科学领域，它为研究脑功能活动中神经血管耦合的精细机制提供了全新工具；在疾病模型研究中，如本文展示的中风模型，它能以前所未有的清晰度揭示微循环障碍的时空动态演变过程，为理解缺血性疾病的病理生理、评估治疗策略效果提供了强大的可视化手段。未来，该技术有望广泛应用于肿瘤微环境研究、药物代谢监测、以及心血管疾病等多个生物医学前沿领域。
总结与展望
超分辨率功能光声显微镜通过无标记时空追踪红细胞，成功实现了在单红细胞分辨率下对三维微血管结构、血氧饱和度和血流的同步成像。该技术经与金标准双光子显微镜的直接对比验证，在分辨率上达到了同等水平，同时扩展了功能成像的维度。其在活体脑微血管中风模型中的应用，清晰揭示了氧气-血流动力学的网络级重新分布，证明了其揭示微血管功能与代谢复杂机制的强大潜力。
展望未来，这项技术有望进一步向更深的组织成像拓展，并与其他模态（如荧光成像、电生理记录）更紧密融合，为生命科学研究提供更全面的视角。随着算法的优化和系统的小型化，它或将为临床微循环疾病的早期诊断与精准治疗评估开辟新的途径，真正推动基础发现向临床应用的转化。
论文信息声明：本文仅用作学术目的。
Zhong F, Wang Z, Lee Y, Han J, Sun N, Yang S, Ji S, Zhang HF, Sun C, Hu S. Super-resolution functional photoacoustic microscopy via label-free cell tracking. Light Sci Appl. 2026 Mar 3;15(1):146.
DOI:10.1038/s41377-026-02235-3.
