尽管医疗中心每天都在使用超声波，但到目前为止，这项技术尚未能够在细胞规模上观察体内组织。物理学家们现在开发了一种基于超声波的显微镜技术，可以揭示活体器官中的毛细血管和细胞——这是以前无法实现的。
超声波是医学中最广泛使用的成像技术之一，但直到最近，它在成像我们身体的微小结构（如细胞）方面缺乏重要作用。“临床超声波，比如用于妊娠扫描的那种，能够实时生成身体部位的图像，”第一作者巴普蒂斯特·海尔斯解释道。“它可以诊断各种疾病，或监测胎儿的发展。然而，微观水平上发生的事情依然是隐藏的。”
三维成像活细胞
现在，来自荷兰代尔夫特理工大学、荷兰神经科学研究所和加州理工学院的科学家团队成功用超声波对特定标记的细胞进行了三维成像。首次，他们在整个器官内对活细胞进行了图像捕捉，覆盖的体积大小相当于一个方糖。相比之下，目前基于光的显微镜通常需要对非活样本进行成像，海尔斯说。“样本或感兴趣的器官必须被移除并处理，而你失去了跟踪细胞活动随时间变化的能力。”
目前成像活细胞在三维中的行为的领先技术，例如在胚胎发育期间，称为光片显微镜。这种方法仅限于半透明或薄标本，因为光无法穿透不透明组织超过1毫米。“超声波可以在不透明的哺乳动物组织中成像达厘米深，允许对整个器官进行非侵入性成像。这让我们能够获得细胞在其自然环境下如何行为的信息，而光学方法在较大且活的组织中无法做到这一点，”首席研究员大卫·马雷斯卡说。
用反射声波探头标记毛细血管和细胞
这一超声成像创新的关键——一种称为非线性声波片显微镜的方法——是加州理工学院沙皮罗实验室发现的一种反射声波探头。海尔斯说：“该探头是充满气体的纳米级囊泡，在超声波图像中发光，使细胞可见。这些囊泡有蛋白质外壳，我们可以对其进行工程设计以调整其图像中的亮度。我们利用这些气体囊泡来追踪癌细胞。”
脑成像
除了揭示细胞外，团队还使用超声波和微气泡作为在血液循环中传播的探头来检测脑毛细血管。海尔斯说：“据我们所知，非线性声波片显微镜是第一种能够观察活脑中毛细血管的技术。这一突破在诊断患者的小血管疾病方面具有巨大的潜力。”由于微气泡探头已获得人体使用的批准，这项技术可能在几年内在医院得到应用。
癌症研究的潜力
马雷斯卡表示，超声波片显微镜在临床实践之外，尤其能极大地受益于生物研究和新癌症治疗的开发。“我们的成像技术可以区分健康组织与癌症组织。此外，它可以可视化肿瘤的坏死核心；这是由于缺氧而开始死亡的细胞的肿瘤中心。因此，它可能有助于监测癌症的进展及对治疗的反应。”
