本文介绍了一项突破性的生物医学成像与光遗传操控技术研究。该研究通过基因敲除技术（Biliverdin Reductase-A Knockout, Blvra⁻/⁻）显著提升了近红外光学探针在深层组织中的性能，实现了对活体动物大脑、肝脏、肿瘤等器官的高灵敏度多模态成像与精准光调控。研究团队开发了新型3D-PAULM系统（三维光声超声定位显微技术），结合光声成像（PAT）与超声定位显微（ULM），首次在 完整头皮与颅骨覆盖下 实现了 7毫米深度的神经元成像 ，空间分辨率达细胞级水平。这一技术突破为神经科学、肿瘤学及代谢疾病研究提供了全新工具。

本研究成果由Ludmila A.Kasatkina, Chenshuo Ma, Huaxin Sheng, Matthew Lowerison, Luca Menozzi, MikhAIl Baloban, Yuqi Tang, Yirui Xu, Lucas Humayun, Tri Vu, Pengfei Song, Junjie Yao & Vladislav V.Verkhusha 团队完成。相关论文以 《Deep-tissue high-sensitivity multimodal imaging and optogenetic manipulation enabled by biliverdin reductase knockout》 为题，于 2025年7月在 《Nature Communications》 正式发表。

重要发现
01基因敲除模型增强光学探针性能
研究团队通过构建Blvra⁻/⁻小鼠模型，阻断胆绿素（Biliverdin, BV）向胆红素的转化通路，使内源性BV浓度显著升高。BV是细菌光敏色素（Bacterial Phytochromes, BphPs）的关键近红外生色团，其浓度提升使BphPs衍生探针（如DrBphP-PCM、miRFP720）的荧光强度与光切换效率大幅增强：

神经元成像：在Blvra⁻/⁻小鼠脑部，DrBphP-PCM的光切换效率提升至30%（野生型仅8%），光声信号对比噪声比（CNR）达615（野生型为67），提升近10倍（p=0.0146）。

双光子显微突破：利用1280 nm激发光，miRFP720标记的神经元在Blvra⁻/⁻脑中成像深度达2.2毫米，分辨率达单细胞水平（野生型仅1.3毫米），信号强度提升2.5倍（p=0.0096）。

02 3D-PAULM系统实现多模态深部成像
研究团队开发了 三维光声超声定位显微系统（3D-PAULM） ，整合两种核心技术：
可逆切换光声成像（RS-PAT） ：利用BphPs在660 nm/750 nm光下的可逆光切换特性，通过差分信号消除血液背景干扰，提升分子检测灵敏度1000倍。

超声定位显微（ULM）：追踪血管内微气泡运动轨迹，以40微米分辨率绘制血管网络（较传统超声提升10倍）。

该系统成功应用于：

脑深部成像：在完整头皮与颅骨覆盖下，对海马体、纹状体、下丘脑（深度7 mm）的神经元进行同步成像与血管测绘。

肿瘤与器官成像：在肝脏、脾脏及乳腺癌移植瘤（4T1模型）中，BphP1探针信号CNR提升2.3倍（p=0.0134），肿瘤内部信号分布更均匀。

03 光遗传精准治疗糖尿病模型
基于iLight光遗传工具（IsPadC BphP衍生），团队在Blvra⁻/⁻小鼠中实现了 近红外光控胰岛素分泌 ：

细胞实验：HeLa细胞经光诱导（660 nm）后，胰岛素分泌量达3.1 μg·L⁻¹（黑暗环境无分泌）。

动物治疗：在链脲佐菌素（STZ）诱导的糖尿病模型中，光激活肝脏胰岛素表达使Blvra⁻/⁻小鼠血糖降至9.26 mM（达正常范围），显著优于野生型（12.93 mM, p<0.005）。

创新与亮点
01突破深层成像技术瓶颈
传统光学成像（如双光子显微）受限于组织散射，有效深度仅1–2毫米。本研究通过两项革新实现突破：

内源生色团调控：Blvra⁻/⁻模型将BV利用率提升至近100%，解决了脑部等低BV器官的探针激活难题。

多模态协同：3D-PAULM系统结合光声的分子特异性与超声的血管分辨力，首次在无需开颅下实现全脑尺度成像。

02 首创临床级光遗传治疗平台
研究首次将深层光遗传技术应用于代谢疾病治疗：
精准控糖 ：通过AAV靶向递送光控胰岛素模块，证明Blvra⁻/⁻模型下光激活效率提升25倍，为糖尿病闭环治疗提供新范式。

转化潜力：BV为人体内源分子，Blvra部分缺失病例（如高胆绿素血症）已证实安全性，技术临床转化风险低。

03 推动跨尺度生物医学研究
该平台具备三大应用价值：
神经科学 ：7毫米深度覆盖啮齿类全脑，支持帕金森、脑卒中等疾病的神经环路研究。
肿瘤学 ：高分辨率血管成像与分子探针结合，可实时监测肿瘤转移与药物响应。
基因治疗 ：光控基因表达系统（如iLight）为时空精准干预遗传病提供新工具。

总结与展望
本研究通过Blvra⁻/⁻基因敲除模型与3D-PAULM多模态成像系统，攻克了深层组织光学检测与操控的核心难题——内源生色团利用率不足与背景噪声干扰。实验证明，该技术可在完整生物体内实现：7毫米深度的神经元成像；单细胞分辨率的脑部双光子成像；近红外光控的糖尿病精准治疗。

未来发展方向包括：

技术优化：提升3D-PAULM成像速度，适配动态生理过程监测；开发新型BphP衍生探针（如钙离子传感器），拓展功能维度。

临床转化：探索Blvra调控在新生儿黄疸治疗中的协同应用；推动光遗传胰岛素疗法向大型动物模型验证。

平台拓展：结合人工智能算法，实现跨尺度数据融合（分子-细胞-器官），为精准医学提供全息视图。

该研究标志着“深部生物窗口” 的正式开启，为理解生命机制与干预疾病开辟了全新路径。

论文信息

声明：本文仅用作学术目的。

Kasatkina LA, Ma C, Sheng H, Lowerison M, Menozzi L, Baloban M, Tang Y, Xu Y, Humayun L, Vu T, Song P, Yao J, Verkhusha VV. Deep-tissue high-sensitivity multimodal imaging and optogenetic manipulation enabled by biliverdin reductase knockout. Nat Commun. 2025 Jul 14;16(1):6469. 

DOI:10.1038/s41467-025-61532-4.