CN107478637A - 快速无标记的区分正常血红蛋白和含铁血黄素的成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于非线性光学成像技术领域，具体为快速无标记的区分正常血红蛋白和含铁血黄素的成像方法。本发明基于血红蛋白和含铁血黄素具有截然不同的泵浦‑探测光谱特征这一发现，可直接同时对血红蛋白和含铁血黄素进行辨别；进一步结合受激拉曼散射技术与泵浦‑探测光技术，可选择性的对组织、正常血红蛋白和含铁血黄素进行快速无标记成像。本发明可以实时辨别和监测正常血红蛋白和含铁血黄素；显像新鲜组织中正常血红蛋白和含铁血黄素的相对分布。

Description

快速无标记的区分正常血红蛋白和含铁血黄素的成像方法

技术领域

本发明属于非线性光学成像技术领域，具体涉及一种辨别正常血红蛋白和含铁血黄素的成像方法。

背景技术

含铁血黄素是一种从红细胞和血红蛋白通过吞噬作用转换而来的铁蛋白复合物,通常存在于巨噬细胞或其他细胞中,有时也会出现在细胞外。组织出血后可能发生含铁血黄素沉积。因此，含铁血黄素与正常的血红蛋白存在巨大的差异，新的实时和准确的定位含铁血黄素以及区分含铁血黄素与正常血红蛋白的技术方法具有很大的价值意义。

非线性光学显微术在过去的十年里得到了急剧发展,已被广泛应用于生物医学和材料科学领域。其中应用最广泛的是双光子荧光和二次谐波显微术，但这两种技术只能对非常有限的内源性目标进行成像。尽管基于外源性荧光标记的成像技术在生物医学科研领域很受欢迎,但是受限于外源性荧光剂的毒性和干扰以及标记不完全和非特异性染色，使得此技术很难真正的应用到临床。因此,临床应用中急需无标记且具有高特异性的显微成像技术。

双脉冲泵浦-探测光显微术由时间分辨的泵浦-探测技术发展而来，它是一门基于超快激光脉冲的产生、整形和探测的技术，因此提供了大量的可调参数,如每个激光脉冲的波长或探测的激光脉冲波长以及两个激光脉冲之间的延迟时间。如此大的参数调控空间可提供较高的分子特异性，使得无标记的分子结构和功能成像成为可能。双脉冲泵浦-探测显微术主要包括受激拉曼散射技术、受激发射技术、激发态吸收和基态损耗。Warren课题组曾报道过用泵浦-探测成像技术区分黑色素瘤和良性黑色素痣,并利用激发态吸收显微术对离体和在体的血红蛋白进行无标记成像。他们甚至基于切换泵浦光和探测光的次序发展了一种可区分含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的双色激发态吸收显微技术，通过该技术探测出含氧/脱氧血红蛋白的比例可有效区分活鼠耳朵的小动脉和小静脉。

本发明利用泵浦-探测光显微术可快速无标记的区分正常血红蛋白和含铁血黄素；选择合适的探测波长可同时对正常血红蛋白和含铁血黄素进行成像和监测；有机结合受激拉曼散射和泵浦-探测显微术可从组织中选择性的显像正常血红蛋白和含铁血黄素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以快速无标记的从组织中区分正常血红蛋白和含铁血黄素的显微成像方法。

本发明提出的快速无标记的从组织中区分正常血红蛋白和含铁血黄素的显微成像方法，是非线性光学显微成像技术在生物医学领域的一种应用。本发明充分利用血红蛋白和含铁血黄素不同的泵浦-探测瞬态光谱特征，选择合适的探测波长同时对正常血和含铁血黄素进行成像和监测；进一步结合受激拉曼散射技术和泵浦-探测技术，在同一个波长下对新鲜组织及其中的正常血红蛋白和含铁血黄素有选择性的成像。本发明可以快速无标记的同时对正常血红蛋白和含铁血黄素进行成像和监测，也可从直接从新鲜组织或组织切片中辨别出正常血红蛋白和含铁血黄素。本发明的可靠性和实用性得到了实验验证。

本发明提出的快速无标记的从组织中区分正常血红蛋白和含铁血黄素的显微成像方法，具体操作步骤如下：

（1）利用基于飞秒时间分辨的泵浦-探测光谱成像系统研究正常血红蛋白和含铁血黄素在不同探测波长下的泵浦-探测光谱特征和差异

用泵浦-探测光谱成像系统研究血红蛋白和含铁血黄素的标准样品，得到不同探测波长下的血红蛋白和含铁血黄素的衰减曲线。发现含铁血黄素在不同的探测波长下的衰减曲线无明显差异：都表现为正信号（泵浦光会导致探测光的吸收增强），且有一个长达6 ps以上的长的衰减拖尾。而血红蛋白随着探测波长的红移表现出：在短波长探测（<800 nm）时全为正信号且呈现双指数衰减（衰减时间分别为0.5 ps和 2 ps）；过渡到长波探测（>850 nm）时在极短时间内表现为正信号，之后迅速衰减为负信号且有较长的衰减时间。这些衰减曲线之间的差异为该发明中血红蛋白和含铁血黄素的区分提供了理论依据；

（2）选择合适的探测波长，同时对正常血红蛋白和含铁血黄素进行成像

鉴于正常血红蛋白在大于800 nm的探测波长下开始表现出负信号且随着探测波长的红移负信号不断增强，而含铁血黄素始终表现为正信号。所以，选择大于800 nm的探测波长，在正常血红蛋白负信号对应的脉冲时间延迟下（1 ps附近），同时对正常血红蛋白和含铁血黄素进行成像和监测，其中正常血红蛋白和含铁血黄素的信号符号相反，因此分别提取图像中的负信号/正信号，重构出正常血红蛋白和含铁血黄素的图像；

（3）有机结合受激拉曼散射技术和泵浦-探测光技术，有选择性的对组织、正常血红蛋白和含铁血黄素进行三通道成像

受激拉曼散射技术和泵浦-探测光技术可共用完全相同的成像系统，组织的主要组成成分脂和蛋白的受激拉曼散射峰刚好对应800 nm的泵浦光和1040 nm的斯托克斯光，且受激拉曼散射只发生在两个脉冲完全重合的时间尺度内（0.5 ps以内）；正常血红蛋白在800nm探测波长下2 ps左右就快速衰减到0；含铁血黄素在800 nm探测波长下一直到6 ps都没有衰减到0。因此选择800 nm的探测波长，分别扫描时间延迟线到0 ps、0.7 ps、3 ps即可有选择性的探测组织、正常血红蛋白和含铁血黄素的图像，三通道叠加，即可得到正常血和含铁血黄素在组织中的分布。

本发明的可靠性和实用性验证。

做大鼠颅内注血模拟组织出血模型试验，从该鼠脑切片中辨别出了正常血红蛋白和含铁血黄素，且结果与传统临床上使用的普鲁士蓝染色结果一致；进一步利用脑海绵状血管瘤病人的石蜡切片进行了验证性实验，结果同样与普鲁士蓝染色结果一致；这些结果证明了该发明的可靠性。最后直接对脑海绵状血管瘤患者手术中取下的新鲜组织进行了实验，能有效显像出含铁血黄素在组织中的分布。

本发明可以实时辨别和监测正常血红蛋白和含铁血黄素；显像新鲜组织中正常血红蛋白和含铁血黄素的相对分布；快速无标记成像，省去冷冻、固定和染色等繁琐的程序，实现快速检测，避免标记干扰。

附图说明

图1为泵浦-探测显微成像系统。

图2为正常血和含铁血黄素衰减曲线。

图3为同时探测正常血红蛋白和含铁血黄素，并利用符号差异提取图像。

图4为在不同的脉冲时间延迟下分别探测组织、正常血红蛋白和含铁血黄素。

图5为大鼠颅内注血模型脑切片的组织、正常血红蛋白和含铁血黄素成像，以及与普鲁士蓝切片染色对照。

图6为脑海绵状血管瘤患者术后石蜡切片成像与普鲁士蓝切片染色的对照；以及直接对脑海绵状血管瘤患者术后新鲜组织的成像。

图7为双通道同时探测正常血红蛋白和含铁血黄素及三通道分别探测组织、正常血红蛋白和含铁血黄素的示意图。

具体实施方式

构建与验证该成像方法的步骤如下：

（1）搭建飞秒泵浦-探测光谱成像系统，如图1所示，其中被调制的泵浦光波长固定为1040 nm，探测光的波长680-1030 nm可调,泵浦和探测脉冲之间的时间延迟可通过扫描加在泵浦光路中的光学延迟线来控制。取志愿者手指处新鲜血并用PBS稀释作为正常红细胞的标准样品，脑海绵状血管瘤患者手术切片中的血黄素作为含铁血黄素的标准样品。分别用泵浦-探测光谱成像系统采集两个标准样品在不同探测波长下的时间衰减曲线，结果见图2(b)。结果发现正常血红蛋白和含铁血黄素的时间衰减曲线存在明显差异，其中含铁血黄素在所有探测波长下都表现为正信号（泵浦光会导致探测光的吸收增强）且有一个长达6ps以上的长的衰减拖尾；但是正常血红蛋白在小于800 nm的探测波长下表现为正信号且衰减拖尾时间逐渐变短，在800 nm探测波长下在2 ps左右就衰减到0，在大于800 nm以后表现为先正后负的信号且正/负信号分别随着探测波长的红移而减弱/增强,典型光谱见图2(c)。

（2）基于以上衰减特征，如若选取800 nm以上的探测波长且将脉冲间的时间延迟调整到1 ps以后，正常血红蛋白显示负信号而含铁血黄素显示为正信号，那么就可同时对它们进行成像，并利用信号的正负提取出正常血红蛋白和含铁血黄素的图像，见图3。另外由于正常血红蛋白随着探测波长的红移而增强，所以选较长的波长，可得到较好的对比度，如附图2。

（3）由于受激拉曼散射技术和泵浦-探测光谱技术可共用如附图1所示的成像系统，且组织的主要组成成分脂和蛋白的受激拉曼散射峰刚好对应800 nm的泵浦和1040 nm的斯托克斯光，且受激拉曼散射发生在两个脉冲完全重合的时间尺度内（0.5 ps以内）；正常血红蛋白在800 nm探测波长下到达2 ps左右才衰减到0；含铁血黄素在800 nm探测波长下一直到6 ps都没有衰减到0。因此选择800 nm的探测波长，分别移动位移平台到0 ps、0.7ps、3 ps的脉冲时间延迟下就可分别探测组织、正常血红蛋白和含铁血黄素的图像，三通道叠加可得到正常血和含铁血黄素在组织中的分布，见附图4。

（4）最后为了检验该方法的可靠性和实用性

首先做了大鼠颅内注血模拟脑组织出血的模型试验，从40 um厚的鼠脑切片中辨别出了正常血红蛋白和含铁血黄素，见图5(a)，然后对该张切片进行了传统临床上广泛使用的普鲁士蓝染色，发现本发明中的方法显像的结果与普鲁士蓝染色结果一致，见图5(b, c)，突出了该方法快速无损的特点，验证了该发明的可靠性。

组织石蜡切片是医学上广泛使用的一门技术，为了验证该发明的实用性，我们对脑海绵状血管瘤患者的石蜡切片进行了成像，然后对同张切片进行了普鲁士蓝染色，同样发现本发明中的方法显像的结果与普鲁士蓝染色结果一致，见图6(a,b)，进一步验证了该发明的可靠性和实用性。

由于该发明是一项快速无标记的成像技术，我们直接从脑海绵状血管患者手术取下的新鲜组织中显像出了含铁血黄素的分布，见图6(c)，突出了该发明快速便捷的优势。

Claims (1)

1.一种快速无标记的区分正常血红蛋白和含铁血黄素的成像方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）利用基于飞秒时间分辨的泵浦-探测光谱成像系统研究正常血红蛋白和含铁血黄素在不同探测波长下的泵浦-探测光谱特征和差异：

用泵浦-探测光谱成像系统研究血红蛋白和含铁血黄素的标准样品，得到不同探测波长下的血红蛋白和含铁血黄素的衰减曲线；其中，含铁血黄素在不同的探测波长下的衰减曲线无明显差异：都表现为正信号，且有一个长达6ps以上的长的衰减拖尾；血红蛋白随着探测波长的红移表现出：在短波长探测即<800nm时全为正信号且呈现双指数衰减，衰减时间分别为0.5ps和2ps；过渡到长波探测即>850nm时，在极短时间内表现为正信号，之后迅速衰减为负信号且有较长的衰减时间；

（2）选择合适的探测波长，同时对正常血红蛋白和含铁血黄素进行成像：

鉴于正常血红蛋白在大于800nm的探测波长下开始表现出负信号且随着探测波长的红移负信号不断增强，而含铁血黄素始终表现为正信号；故选择大于800nm的探测波长，在正常血红蛋白负信号对应的脉冲时间延迟下即1ps附近，同时对正常血红蛋白和含铁血黄素进行成像，且分别提取图像中的负信号/正信号重构出正常血红蛋白和含铁血黄素的图像；

（3）结合受激拉曼散射技术和泵浦-探测光技术，有选择性的对组织、正常血红蛋白和含铁血黄素进行三通道成像：

受激拉曼散射技术和泵浦-探测光技术共用相同的成像系统，组织的主要组成成分脂和蛋白的受激拉曼散射峰刚好对应800nm的泵浦光和1040nm的斯托克斯光，且受激拉曼散射只发生在两个脉冲完全重合的时间尺度内即0.5ps以内；正常血红蛋白在800nm探测波长下2 ps左右就快速衰减到0；含铁血黄素在800 nm探测波长下一直到6ps都没有衰减到0；因此选择800nm的探测波长，分别扫描时间延迟线到0ps、0.7ps、3ps即可有选择性的探测组织、正常血红蛋白和含铁血黄素的图像，三通道叠加即得到正常血和含铁血黄素在组织中的分布。