本文与 加州理工学院合作发表。
加州理工学院研发的一项新技术利用充满气体的微泡来聚焦组织内部的光，有朝一日可能让医生以微创方式借助激光摧毁肿瘤，并改进医学诊断成像。
在人体内聚焦光线的主要挑战在于，生物组织在光学上是不透明的。与透明玻璃不同，构成组织的细胞和蛋白质会散射并吸收光线。“就光线而言，我们的组织与浓雾非常相似，” Changhuei Yang是电气工程、生物工程和医学工程教授，表示：“正如我们无法透过雾气聚焦汽车前灯一样，科学家一直难以透过组织聚焦光线。”
为了解决这一问题，杨及其团队转而使用微泡，这种微泡在医学上常用于增强超声成像的对比度。
这些充满气体的微泡由薄薄的蛋白质外壳包裹，其声学折射率（即影响声波在介质中传播方式的一种特性）与活体组织不同。因此，它们对声波的反应也不同。“你可以利用超声使微泡快速收缩和膨胀，这种振动有助于将它们与周围组织区分开来，因为它们比生物组织更有效地反射声波，”杨实验室的博士后学者Haowen Ruan说。
此外，微泡的光学折射率也与生物组织的不同。光学折射率衡量的是光线从一种介质（例如液体）进入另一种介质（例如气体）时弯折的程度。
Yang、Ruan以及研究生Mooseok Jang开发出一种名为时间反演超声微泡编码（TRUME）光学聚焦的新技术，利用微泡与组织之间声学和光学折射率的不匹配，将光线聚焦于体内。首先，将注入组织的微泡用超声波击破。通过测量此类事件发生前后光透射的差异，加州理工学院的研究人员便能调整激光束的波前，使其聚焦于微泡最初所在的位置。杨解释说，其结果“就像在一片黑暗的原野中寻找某人，而这个人突然放出一枚信号弹。在短暂的一瞬间，此人被照亮，你便能锁定其位置。”
在一项新研究中，该团队于2015年11月24日在线发表于《 Nature Communications》期刊，研究表明其TRUME技术可作为有效的“导星”，将激光束聚焦于生物组织中的特定位置。一个位置恰当的微泡便足以成功聚焦激光；位于目标大致附近的多个破裂微泡则充当了光的地图。
“每一次破裂事件都为光线在组织中曲折传播的轨迹提供了路线图，”杨说。“我们可以利用这张路线图来塑造光线，使其汇聚于微泡破裂之处。”
如果TRUME被证明能在活体组织内有效运作（例如微泡破裂不会产生任何负面影响），它便可支持一系列研究和医学应用。例如，将微泡与经过工程改造、用于寻找癌症相关生物标志物的抗体探针相结合，医生便可以瞄准并随后摧毁体内深处的肿瘤，或更早地检测出恶性肿瘤。
“超声和X射线技术只能在癌症形成肿块后才能检测到，”杨说。“但借助光学聚焦，你便可以在癌细胞发生生化变化、但尚未出现形态学变化之前将其捕捉到。”
该技术可以取代其他诊断筛查方法。例如，它可用于测量婴儿体内一种名为胆红素的蛋白质的浓度，以判断其患黄疸的风险。“目前，这一程序需要抽血，但借助TRUME，我们可以将光照射进婴儿体内，寻找胆红素分子独特的吸收特征，”Ruan说。
结合现有能够让科学家利用光照激活实验动物单个神经元的技术，TRUME可以帮助神经科学家更好地理解大脑的工作原理。“目前，神经科学家只能局限于大脑的浅层，”杨说。“但我们的光学聚焦方法可能提供一种微创方式，用于探测大脑的更深区域。”
该论文题为 “Optical focusing inside scattering media with time-reversed ultrasound microbubble encoded (TRUME) light.” 。本研究获得美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）、National Institutes of Health BRAIN Initiative以及GIST-Caltech Collaborative Research Proposal的支持。
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作者：Ker Than是科学作家，现任Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences传播事务副主任。
图片：一名科学家在位于萨顿的Institute of Cancer Research实验室中准备用于分析的蛋白质样本。REUTERS/Stefan Wermuth。
