EVIDENT雙光子顯微鏡助力開發(fā)高時(shí)空分辨率血管動(dòng)力學(xué)分析算法
本文作者：西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院特聘副教授賈潔敏研究團(tuán)隊(duì)
浙江省西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院
2024年5月31日，浙江省西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院特聘副教授賈潔敏研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際腦血流與代謝國(guó)際學(xué)會(huì)權(quán)威官方期刊：
Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism
發(fā)表了題為"High-resolution vasomotion analysis reveals novel arteriole physiological features and progressive modulation of cerebral vascular networks by stroke"的論文。
該研究針對(duì)當(dāng)前血管動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域內(nèi)血管運(yùn)動(dòng)量化方法稀缺的現(xiàn)狀，以雙光子活體血管顯微成像技術(shù)為主要研究工具，提出了系統(tǒng)的血管動(dòng)力學(xué)綜合分析方法。通過這項(xiàng)新方法，賈潔敏團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了腦血管兩側(cè)血管壁的不對(duì)稱運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證了各種麻醉劑對(duì)小鼠血管運(yùn)動(dòng)的影響，確定了不同直徑等級(jí)的動(dòng)脈血管運(yùn)動(dòng)特征，計(jì)算了平滑肌細(xì)胞中鈣離子濃度增加導(dǎo)致動(dòng)脈收縮的具體延遲時(shí)間等。
此外，團(tuán)隊(duì)成員還追蹤研究了中風(fēng)對(duì)動(dòng)脈血管運(yùn)動(dòng)的持續(xù)性打擊。賈潔敏團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果加深了對(duì)血管運(yùn)動(dòng)的理解，對(duì)腦血管網(wǎng)絡(luò)和缺血性卒中特征的研究具有直接意義。
自發(fā)血管運(yùn)動(dòng)（Spontaneous Vasomotion）表示血管平滑肌細(xì)胞節(jié)律性的自發(fā)收縮與舒張，會(huì)進(jìn)一步引起血管壁振動(dòng)，并影響血流量和組織的血液與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)。它是獨(dú)立于心臟跳動(dòng)、神經(jīng)支配或呼吸的血管壁張力的自發(fā)振蕩。
自發(fā)血管運(yùn)動(dòng)最早于1852年由Thomas在蝙蝠翅膀上被首次觀察到，而自發(fā)腦血管運(yùn)動(dòng)（Spontaneous cerebral vasomotion）于1981年由Auer在貓腦膜動(dòng)脈上被首次觀察到，而對(duì)于自發(fā)血管運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的完整機(jī)制和生理重要性至今仍未明確闡明。一方面是由于21世紀(jì)前高時(shí)空分辨率活體成像設(shè)備的缺乏，自發(fā)血管的圖像信息難以準(zhǔn)確提取；而近年來雙光子活體顯微成像技術(shù)的問世克服了這一困難，這項(xiàng)技術(shù)成功提取了高時(shí)空分辨率的血管圖像，但受限于沒有全面系統(tǒng)的自發(fā)血管運(yùn)動(dòng)的分析方法，其研究?jī)H僅停留在淺層的血管運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象闡述。
基于此，生命科學(xué)學(xué)院的賈潔敏團(tuán)隊(duì)花費(fèi)了近2年的時(shí)間成功實(shí)現(xiàn)血管動(dòng)力學(xué)分析方法的從無到有，這項(xiàng)血管動(dòng)力學(xué)分析方法集成了多種算法，包括血管直徑與半徑計(jì)算、頻譜分析、基線平滑、異常值檢測(cè)、動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)劃、滑動(dòng)交叉相關(guān)分析等，從九個(gè)角度全面刻畫腦血管運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)新方法不僅描述了生理狀況下小鼠腦動(dòng)脈血管運(yùn)動(dòng)的基本特征，還實(shí)時(shí)追蹤分析（0-14天）缺血性中風(fēng)條件下小鼠腦動(dòng)脈血管運(yùn)動(dòng)。
圖1. 血管動(dòng)力學(xué)分析方法流程圖
在此項(xiàng)研究中，賈潔敏團(tuán)隊(duì)首先從腦自發(fā)血管運(yùn)動(dòng)的運(yùn)行機(jī)制出發(fā)，驗(yàn)證了動(dòng)脈血管上平滑肌細(xì)胞內(nèi)的鈣離子振蕩是動(dòng)脈血管發(fā)生收縮舒張的基礎(chǔ)，在中風(fēng)前觀察到小鼠腦血管上的平滑肌細(xì)胞內(nèi)鈣離子的節(jié)律振蕩，在小鼠大腦中動(dòng)脈阻斷（Middle Cerebral Artery Occlusion）2h模型建立期間，賈潔敏團(tuán)隊(duì)觀察到小鼠腦內(nèi)發(fā)生多次擴(kuò)散性去極化現(xiàn)象（Spreading depolarization），伴隨著平滑肌細(xì)胞內(nèi)鈣離子平衡嚴(yán)重失調(diào)，而后小鼠的腦血管自發(fā)運(yùn)動(dòng)隨著擴(kuò)散去極化現(xiàn)象的多次發(fā)生遭遇累計(jì)損害，在小鼠大腦中動(dòng)脈阻斷2h后的再灌注期間，平滑肌細(xì)胞內(nèi)的鈣振蕩和腦血管自發(fā)血管運(yùn)動(dòng)遭遇持續(xù)損傷，并在再灌注14后仍未得到徹底恢復(fù)。
綜上，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)和縝密的數(shù)據(jù)分析方法，賈潔敏團(tuán)隊(duì)針對(duì)當(dāng)前血管動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域內(nèi)血管運(yùn)動(dòng)量化方法稀缺的現(xiàn)狀，提出了全面且系統(tǒng)的血管動(dòng)力學(xué)分析方法，進(jìn)一步地，證明了腦動(dòng)脈血管自發(fā)運(yùn)動(dòng)在腦血流調(diào)節(jié)尤其是缺血性中風(fēng)后改善無血流現(xiàn)象存在極大價(jià)值。這些研究結(jié)果為大家理解大腦血管動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供了新的角度，并為探索腦卒中的治療策略開辟了一條嶄新的方向。
圖2.缺血性中風(fēng)條件下小鼠腦動(dòng)脈血管運(yùn)動(dòng)特征的變化情況
文章中，小鼠的活體腦血管顯微成像與血管平滑肌細(xì)胞GCaMP6s標(biāo)記的鈣信號(hào)成像均采用Evident的雙光子顯微鏡FVMPE-RS進(jìn)行屏掃和線掃的圖像采集。FVMPE-RS特殊的光路設(shè)計(jì)、大空間的龍門架機(jī)型以及深焦模式，配合高時(shí)間和空間的成像分辨率，更適合于小鼠等活體動(dòng)物各個(gè)部位的深層成像，還可以搭配跑步機(jī)實(shí)現(xiàn)活體動(dòng)物的清醒成像。
圖3. Evident雙光子顯微鏡FVMPE-RS
FVMPE-RS性能優(yōu)越簡(jiǎn)單易用，是科研人員進(jìn)行活體成像研究的利器。而FV4000MPE作為Evident全新的第五代雙光子系統(tǒng)，繼續(xù)突破創(chuàng)新。FV4000MPE采用了專利的SilVIR檢測(cè)器（專利號(hào)US11237047），其成像速度、成像視野、圖像動(dòng)態(tài)范圍以及信噪比等方面，與FVMPE-RS相比都有了更進(jìn)一步的提升。
圖4. FV4000/FV4000MPE定制解決方案，同一系統(tǒng)，多種可能
西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院特聘副教授賈潔敏為本文的通訊作者，西湖大學(xué)2021級(jí)博士生張益溢，助理研究員李金澤以及西湖大學(xué)2021級(jí)博士生謝蕙祺為本文共同第一作者。助理研究員李金澤與謝蕙祺博士在腦血管的雙光子數(shù)據(jù)圖像采集上均做出了重要貢獻(xiàn)，賈潔敏團(tuán)隊(duì)的其他成員都在課題開展期間提出了寶貴的意見與建議。
西湖大學(xué)的辦學(xué)定位關(guān)鍵在于九個(gè)字——小而精、高起點(diǎn)、研究型，其中研究型重點(diǎn)指學(xué)科交叉。這篇文章正是學(xué)科交叉的結(jié)晶，西湖大學(xué)2021級(jí)博士生張益溢的碩士專業(yè)為光學(xué)工程，正是因?yàn)樗诖T士期間學(xué)習(xí)掌握的光學(xué)成像知識(shí)以及夯實(shí)的算法基礎(chǔ)，幫助他在賈潔敏團(tuán)隊(duì)發(fā)光發(fā)熱，使他與助理研究員李金澤的課題合作相得益彰。張益溢與李金澤二人在學(xué)科交叉的火花中互幫互助，汲取精華，最終在賈潔敏導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下收獲這一豐厚果實(shí)。
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