在腫瘤學基礎研究與臨床前藥物研發中，需實時動態觀測小動物模型（如小鼠、大鼠）體內腫瘤的生長、侵襲、血管生成及藥物響應過程。傳統影像技術中，CT 雖能提供高分辨率結構信息，但存在電離輻射且無法量化分子功能；MRI 軟組織對比度優異，卻成像速度慢、成本高；熒光成像穿透深度有限，易受組織自體熒光干擾。小動物活體三維光聲成像（Photoacoustic Imaging, PAI）作為融合光學分子特異性與超聲深層穿透性的新型影像技術，可在無輻射損傷的前提下，實現腫瘤 “結構 - 功能 - 分子” 多維度三維動態成像，成為推動腫瘤學研究的關鍵工具。

技術核心原理：光學吸收與超聲信號的橋梁

光聲成像的核心機制基于 “光聲效應”：當脈沖激光（通常為近紅外光區，700-1300nm，此波段組織吸收與散射較弱，穿透深度可達數毫米至厘米級）照射小動物活體組織時，腫瘤區域的特異性吸收體（如腫瘤細胞內的血紅蛋白、黑色素，或外源性靶向探針）吸收光子能量后迅速升溫膨脹，產生微弱的超聲壓力波（即 “光聲信號”）；體表的超聲換能器捕捉該信號后，通過信號放大、降噪與三維重建算法，將時間域的超聲信號轉化為空間域的三維影像，最終呈現腫瘤的解剖結構、血流分布及分子表達特征。

其技術優勢源于 “雙模態融合”：一方面，繼承光學技術的分子特異性 —— 可通過設計靶向腫瘤標志物（如 EGFR、VEGF）的近紅外熒光探針，實現腫瘤細胞的精準定位；另一方面，依托超聲技術的深層穿透性與高空間分辨率 —— 三維成像空間分辨率可達 50-200μm（遠高于 MRI 的數百微米），且無電離輻射，支持對同一小動物模型進行長期（數周至數月）動態監測，避免個體差異對實驗結果的干擾。

腫瘤學研究中的核心應用場景

小動物活體三維光聲成像憑借 “活體、三維、多參數” 的成像能力，已廣泛應用于腫瘤學基礎研究與臨床前評估，覆蓋腫瘤發生發展、微環境分析及藥物研發全流程。

1. 腫瘤原位接種與轉移的動態監測

在腫瘤原位模型（如小鼠乳腺原位腫瘤、腦原位膠質瘤）研究中，傳統病理切片需處死動物才能獲取腫瘤信息，無法實現動態追蹤。三維光聲成像可在活體狀態下，通過識別腫瘤區域與正常組織的光學吸收差異（如腫瘤血管豐富導致的血紅蛋白信號增強），實時觀測腫瘤的體積增長、形態變化及邊界侵襲情況。例如，對小鼠肺癌原位模型進行每周一次的三維光聲成像，可清晰量化腫瘤體積從 1mm3 至 10mm3 的動態變化，同時捕捉腫瘤對周圍肺組織的侵襲軌跡，為研究腫瘤生長動力學提供連續的活體數據。

對于腫瘤轉移研究，該技術同樣具備優勢。以黑色素瘤淋巴轉移模型為例，黑色素作為內源性光聲造影劑，其強光學吸收特性可被三維光聲成像精準識別 —— 即使是直徑小于 1mm 的微小轉移淋巴結，也能通過三維影像清晰定位，且可動態監測轉移灶從原發腫瘤向區域淋巴結、遠處器官（如肺、肝）擴散的全過程，為解析腫瘤轉移機制提供直觀證據。

2. 腫瘤血管生成的量化評估

血管生成是腫瘤生長與轉移的關鍵環節，也是抗血管生成藥物（如貝伐珠單抗）的主要作用靶點。三維光聲成像可通過檢測腫瘤區域血紅蛋白（Hb）的光聲信號，實現血管生成的 “結構 + 功能” 雙重評估：一方面，三維影像可清晰顯示腫瘤血管的分支形態、密度分布及與正常血管的連通性，區分功能性血管與畸形血管；另一方面，通過分析氧合血紅蛋白（HbO?）與去氧血紅蛋白（HbR）的光聲信號比值，可量化腫瘤組織的氧飽和度（sO?），評估血管的供氧功能。

在抗血管生成藥物篩選中，該技術可動態監測藥物處理前后腫瘤血管的變化：例如，給藥后 1-7 天內，三維光聲成像可實時捕捉到腫瘤血管密度降低（Hb 信號強度下降 30%-50%）、氧飽和度改善（sO?從 40% 提升至 60%）的過程，相比傳統的免疫組化（需處死動物），能更快速、準確地評估藥物療效。

3. 腫瘤微環境的功能解析

腫瘤微環境（如缺氧、炎癥、基質纖維化）直接影響腫瘤的惡性程度與治療響應，三維光聲成像可通過特異性探針實現微環境參數的量化成像。例如，針對腫瘤缺氧區域，可設計對低氧環境敏感的近紅外光聲探針（如偶氮苯類探針）—— 在缺氧條件下，探針分子結構改變導致光學吸收峰偏移，通過三維光聲成像可精準定位缺氧區域的空間分布，并計算缺氧體積占腫瘤總體積的比例；對于炎癥微環境，可利用巨噬細胞高表達的清道夫受體，設計靶向性光聲探針，實現巨噬細胞在腫瘤內浸潤情況的三維可視化，為研究炎癥與腫瘤進展的關聯提供功能影像證據。

技術挑戰與未來發展方向

盡管小動物活體三維光聲成像在腫瘤學中應用廣泛，仍面臨三大技術挑戰：一是深層組織成像質量有限 —— 當腫瘤位于小動物體內深層（如小鼠腹部器官）時，激光能量衰減與超聲信號散射會導致影像分辨率下降；二是運動偽影干擾 —— 小動物呼吸、心跳等生理運動易導致三維重建時出現信號錯位，影響腫瘤體積與功能參數的量化準確性；三是特異性探針種類不足 —— 目前針對腫瘤特異性標志物（如突變型 EGFR）的高親和力、低毒性光聲探針仍較少，限制了分子水平成像的應用范圍。

未來，技術發展將圍繞 “提升性能、拓展應用” 展開：在成像深度與分辨率方面，將開發近紅外 II 區（1000-1700nm）激光光源與高靈敏度超聲換能器，進一步減少組織吸收，使深層腫瘤（如小鼠肝臟腫瘤）的成像分辨率提升至 100μm 以下；在運動校正方面，將結合呼吸門控技術與 AI 驅動的圖像配準算法，實時抵消生理運動帶來的偽影；在探針研發方面，將推動 “多靶點探針” 開發，實現同時對腫瘤細胞、血管與微環境的多參數成像。此外，該技術還將與 PET、MRI 等影像技術融合，構建 “結構 - 功能 - 代謝” 一體化的多模態成像平臺，為腫瘤學研究提供更全面的活體影像信息。

小動物活體三維光聲成像以其無輻射、高時空分辨率、多參數成像的優勢，已成為腫瘤學基礎研究與臨床前藥物研發的核心工具。隨著技術的不斷突破，該技術將進一步推動腫瘤發生機制解析、靶向藥物篩選與個性化治療方案驗證，為從實驗室研究到臨床應用的轉化搭建關鍵橋梁。