光聲成像技術：動態追蹤藥物在肝腎中的代謝路徑
在現代醫學領域，精準醫療正逐漸成為發展的主流趨勢。為了實現精準治療，深入了解藥物在體內的代謝和清除路徑顯得尤為重要。傳統的成像技術，雖然能夠提供一定的代謝信息，但由于其存在輻射危害，限制了在縱向研究中的應用。而光學成像技術雖然具有較高的分辨率，但在組織深度穿透方面存在挑戰。因此，開發一種能夠同時滿足深度穿透和高分辨率需求的成像技術，對于藥物清除路徑的研究具有重大意義。
近期，發表的一項研究提出了一種基于光聲層析成像（PAT）的時空分辨清除路徑追蹤（SRCPT）方法，為實時、動態地監測藥物在體內，尤其是肝臟和腎臟中的清除過程提供了全新的視角。SRCPT方法不僅能夠提高成像的準確性和分辨率，還為未來精準醫療的發展開辟了新的道路。
研究背景與技術挑戰
藥物清除路徑監測的重要性
在藥物研發過程中，了解藥物在體內的清除機制和路徑是優化治療方案的關鍵。肝臟和腎臟作為主要的代謝和排泄器官，其功能狀態直接影響藥物的代謝效率和療效。因此，如何精確監測藥物在肝臟和腎臟中的清除過程，對于提高藥物治療的安全性和有效性具有至關重要的意義。
傳統成像技術雖然能夠提供藥物代謝的相關信息，但由于其使用電離輻射，對受試者存在潛在的輻射風險，這在很大程度上限制了其在縱向研究中的應用。而熒光成像等光學成像技術雖然具有較高的分辨率，但其穿透深度有限，難以滿足對深層組織的監測需求。因此，開發一種能夠兼顧深度穿透和高分辨率的成像技術，成為解決這一問題的關鍵。
技術挑戰的應對策略
為了解決現有技術的局限性，研究團隊創新性地提出了SRCPT方法。該方法利用光聲層析成像技術，結合蒙特卡洛校正的經驗數學模型（MC-EMM）算法，成功克服了激光能量衰減等問題，實現了對藥物清除路徑的動態可視化和關鍵參數的提取。此外，研究團隊還提出了一種基于頻率成分選擇的合成孔徑聚焦技術（FCSSAFT），有效提高了三維成像的分辨率，為清晰地觀察藥物在體內的清除過程提供了技術支持。
技術創新與應用
時空分辨清除路徑追蹤法的原理與優勢
時空分辨清除路徑追蹤法（SRCPT）的核心在于其能夠結合光聲層析成像技術與先進的圖像處理算法，實現對藥物在體內清除過程的實時監測。通過蒙特卡洛模擬計算光子通量分布，SRCPT方法能夠對光聲數據進行補償，從而提高成像的對比度和準確性。與傳統成像技術相比，SRCPT方法在保持高分辨率的同時，能夠更深入地穿透組織，為研究藥物在深層組織中的代謝提供了可能。
為了進一步提高三維成像的分辨率，研究團隊引入了合成孔徑聚焦技術（FCSSAFT）算法。該算法通過頻譜分離技術，將不同頻率的信號進行分離，從而實現了對血管和組織信號的清晰區分。與傳統方法相比，FCSSAFT算法能夠顯著提高三維數據的全方位分辨率，為觀察藥物在體內的分布和清除提供了更加清晰的圖像。
藥物清除研究中的具體應用
研究團隊利用SRCPT方法對臨床抗癌藥物米托蒽醌的清除路徑進行了深入研究。結果表明，在正常肝臟中，米托蒽醌主要在肝臟中代謝，隨后迅速經膽道排入小腸。而在急性肝損傷模型中，米托蒽醌的肝代謝速率顯著降低，藥物在肝臟中的代謝過程明顯減緩。此外，研究還發現，米托蒽醌在腎臟中的代謝比例相對較小，這表明肝臟是代謝的主要場所。通過這些研究，SRCPT方法不僅成功揭示了在不同生理和病理狀態下的代謝特征，還為其他藥物的清除路徑研究提供了新的思路。
成像實驗與結果分析
小分子藥物在肝臟和腎臟中
在實驗中，研究團隊利用SRCPT方法對小分子藥物A1094在肝臟和腎臟中的清除路徑進行了高時空分辨率的追蹤。通過手動分割主要器官的原始光聲圖像，并運用蒙特卡洛模擬計算光子通量分布，研究團隊對光聲數據進行了補償，從而提高了深層組織的對比度和定量準確性。結果顯示，A1094在肝臟中的代謝半衰期約為腎臟中的13倍，平均攝取率約為腎臟中的630倍，這表明A1094主要在肝臟中代謝，而非腎臟。此外，通過分析藥物在腸道中的分布情況，研究團隊還發現A1094在肝臟中代謝后主要通過膽道排入腸道。
研究團隊進一步利用SRCPT方法結合FCSSAFT算法，對抗癌藥物米托蒽醌在正常肝臟和急性肝損傷小鼠模型中的三維清除路徑進行了研究。結果表明，在正常肝臟中，靜脈注射后約5分鐘達到藥物濃度峰值，并在30分鐘內迅速代謝。而在急性肝損傷模型中的代謝過程明顯減緩，藥物在肝臟中逐漸積累，且排泄量較少。通過MC-EMM算法計算得到的清除參數進一步證實了這一結論，表明急性肝損傷顯著影響了抗癌藥物米托蒽醌的肝代謝能力。
生物大分子在受損腎臟中
研究還關注了生物大分子在腎臟中的清除路徑。以免疫球蛋白G為例，研究團隊利用SRCPT方法觀察了其在不同程度腎損傷小鼠模型中的動態沉積過程。結果顯示，隨著腎損傷程度的加重，免疫球蛋白G在腎臟中的沉積量逐漸增加，且主要沉積在腎皮質區域。此外，研究還發現，正常小鼠腎臟中的免疫球蛋白G排泄量極少，而輕度和重度腎損傷小鼠則在腎盂中檢測到排泄，這表明腎損傷會導致免疫球蛋白G的排泄功能受損，進而引起在腎臟中的積累。
總結與展望
SRCPT方法作為一種創新的成像技術，為藥物清除路徑的研究提供了前所未有的視角和工具。通過實時、動態地監測藥物在肝臟和腎臟中的代謝和清除過程，SRCPT方法不僅能夠提高藥物研發的效率，還為臨床治療方案的優化提供了重要依據。其在抗癌藥物米托蒽醌清除路徑研究中的成功應用，充分展示了該方法在精準醫療領域的巨大潛力。SRCPT方法有望在更廣泛的藥物研究中得到應用和推廣。此外，SRCPT方法可以拓展至其他器官和疾病的監測，為整個生物醫藥領域的發展注入新的動力。
聲明：本文僅用作學術目的。
Lv J, Lan H, Qin A, Sun T, Shao D, Gao F, Yao J, Avanaki K, Nie L. Dynamic synthetic-scanning photoacoustic tracking monitors hepatic and renal clearance pathway of exogeneous probes in vivo. Light Sci Appl. 2024 Oct 31;13(1):304.
DOI:10.1038/s41377-024-01644-6.
