雙光子長時間活體成像的應用：最小化光損傷實時捕獲鈣離子與血管變化

本研究由 Nils Korte1,5、Anna Barkaway、Jack Wells 、Felipe Freitas、Huma Sethi、Stephen P. Andrews、John Skidmore 、Beth Stevens與David Attwell聯合完成。論文《Inhibiting Ca²⁺channels in Alzheimer’s disease model mice relaxes pericytes, improves cerebral blood flow and reduces immune cell stalling and hypoxia》發表在《Nature Neuroscience》期刊，通過先進光學方法揭示了鈣通道抑制改善腦血流的關鍵機制。

技術原理
光學成像技術是AD血管研究的核心技術，其獨特機制在于高分辨率、實時活體監測能力，突破了傳統組織學分析的靜態局限。主流方法如MRI雖能宏觀評估CBF，但分辨率不足（>100 μm），無法解析微血管細胞事件；而光學技術以亞微米精度實現動態觀測。關鍵原理分點闡述如下：

雙光子顯微成像：基于非線性激發原理，激光穿透深層組織（如皮層），激發熒光探針（如GCaMP5g鈣指示劑），產生雙光子熒光信號。該技術最小化光損傷，允許長時間活體成像，實時捕獲周細胞內鈣離子（[Ca²⁺]ᵢ）瞬變和血管直徑變化（分辨率達1 μm）。

激光多普勒血流儀：利用多普勒效應，激光束照射移動血細胞，散射光頻移轉換為血流速度信號。結合雙光子系統，實現CBF與血管動力學的同步量化，精度達毫米/秒級。

激光散斑對比成像：基于激光散斑模式，血流引起散斑強度波動，通過空間對比分析生成CBF分布圖。該方法快速覆蓋大視野，適用于整體灌注評估（如皮層區域），但需配合高分辨技術驗證微血管細節。

這些技術協同工作，形成多層次成像體系，核心優勢在于非侵入式、細胞級分辨率，為AD血管功能障礙提供機制解析。

重要發現
本研究通過先進光學技術，核心貢獻在于闡明鈣通道抑制如何通過周細胞調控改善AD腦血流，實驗過程聚焦成像主導的機制驗證。

周細胞收縮機制的光學解析：實驗采用雙光子顯微成像，在活體NG2-Creᴱᴿᵀ²-GCaMP5g小鼠皮層中，實時監測內皮素-1（ET-1）誘導的周細胞[Ca²⁺]ᵢ升高（上升2.07倍）和毛細血管收縮（直徑減小18%）。尼莫地平（CaV阻斷劑）處理后，[Ca²⁺]ᵢ在1.35分鐘內降至基線，血管擴張先于CBF增加（8.41分鐘延遲），證實鈣通道介導收縮的核心作用。

多維成像量化血流改善：結合激光多普勒和激光散斑，研究顯示尼莫地平靜脈注射提升AD小鼠CBF達51%（P=0.0003）。三維雙光子成像進一步揭示毛細血管直徑增加9.6%（至6 μm），減少Poiseuille定律相關的血流阻力。數學模型（考慮血管阻力分布）驗證成像數據，預測CBF增幅匹配實測值（51% vs. 40–51%）。

免疫細胞滯留的成像證據：雙光子技術三維掃描顯示，AD模型中5.2%毛細血管發生阻塞（vs. WT 0.47%），中性粒細胞和單核細胞滯留占50%以上。成像捕捉細胞堵塞點鄰近周細胞胞體（距離<10 μm），尼莫地平減少阻塞至近正常水平，縮短滯留時間（P<0.05）。

結論：光學技術證實鈣通道抑制通過放松周細胞，擴張血管，降低血液黏度和細胞滯留，最終提升CBF并緩解缺氧（pimonidazole標記減少），為AD早期治療提供光學驅動的機制基礎。

挑戰與展望
盡管光學成像技術推動AD血管機制突破，臨床轉化面臨顯著障礙：尼莫地平的長期安全性在老年AD患者中待驗證（CBF響應減弱63%），且光學設備的成本和高技能操作限制基層普及；未來方向需結合多模態成像（如與ASL MRI整合）提升預測精度，并探索個性化劑量優化。同時，拓展至其他血管性癡呆癥，可加速光學技術的臨床落地。

論文信息
聲明：本文僅用作學術目的。
Korte N, Barkaway A, Wells J, Freitas F, Sethi H, Andrews SP, Skidmore J, Stevens B, Attwell D. Inhibiting Ca2+ channels in Alzheimer's disease model mice relaxes pericytes, improves cerebral blood flow and reduces immune cell stalling and hypoxia. Nat Neurosci. 2024 Nov;27(11):2086-2100.

DOI:10.1038/s41593-024-01753-w.