Real-time, macroscopic shortwave infrared Raman imaging for surgical and pre-clinical applications
本文介绍了一种实时、宏观短波红外（SWIR）拉曼成像技术，这是一种克服了传统自发荧光限制的无标记技术，旨在提供高对比度的、类似于核磁共振成像（MRI）的组织动力学、疾病标志物及关键解剖结构的化学可视化，从而改进手术引导和临床前诊断。
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想象一下，你正试图在一个人潮拥挤、大雾弥漫的房间里寻找一位特定的朋友。如果你只是打开一把普通的强光手电筒，雾气（就像是你自身发出的自然光芒）就会阻碍你的视线，让每个人看起来都像是一个模糊的发光团块。你无法分辨谁戴着红帽子，谁戴着蓝帽子。对于试图观察人体内部或研究微小生物的医生和科学家来说，这是一个大问题。他们需要一种方法来观察不同组织的“化学外衣”——比如知道某个部位是脂肪、水分还是骨骼——而无需使用染料或注射针头。
长期以来，科学家们一直使用一种被称为拉曼散射（Raman scattering）的技术，这就像是在聆听分子独特的“嗡嗡声”或振动来识别它们。但这种嗡嗡声通常非常微弱，而在我们日常使用的可见光中，人体自身的荧光（自发荧光）如此响亮，以至于淹没了信号。这就像是在摇滚音乐会上试图听清一声耳语。然而，在光谱中有一个特殊的区域被称为“短波红外”（SWIR）。你可以把这想象成一个秘密频率，在这里雾气消散了，身体变得更加透明。通过将这个清晰的窗口与聆听分子振动的能力相结合，研究人员或许终于能够实时看到组织内的化学组成，就在手术室里。
这正是由奥利弗·布伦斯（Oliver Bruns）和贝尔纳多·阿鲁斯（Bernardo Arús）领导的团队所实现的。他们制造出了一种新型的“化学相机”，利用短波红外光来拍摄生物体内的化学振动。该相机看到的不仅仅是形状，而是物质的构成。他们发现，通过照射波长在892至1064纳米之间的光，可以完全消除人体的自然光芒。这使得他们即使穿透皮肤并在大面积区域内，也能清晰地听到分子的“耳语”，而无需注射任何特殊的染料。
研究人员在小鼠、人类手部，甚至是在包含猪和人类遗体捐赠者的手术室中测试了这款神奇的相机。他们发现，相机可以瞬间识别出脂肪组织与水性组织的区别。例如，仅仅通过观察它们的化学特征，他们就能看到脂肪垫发出绿光，而肌肉或淋巴结发出蓝光。在活体小鼠身上，他们观察到在动物禁食时脂肪消失，在进食后又重新出现，而这一切都无需接触动物。他们还将此技术用于人类组织样本，以发现脂肪肝疾病，并识别阻塞动脉中危险的钙沉积，这些都是通常难以在不切开组织并进行染色观察的情况下看到的现象。
最令人兴奋的是，他们将这变成了一个实时的工具供外科医生使用。在手术室中，他们展示了相机如何找到那些在普通白光下因埋在脂肪中而不可见的隐藏淋巴结和神经。这款相机就像是一个超强的X光机，它不需要大型机器或磁铁，只需要光。它可以向外科医生准确展示神经隐藏在脂肪海中的位置，帮助他们避免误切。该系统运行速度很快，每秒拍摄一张照片，足以在医生操作时引导其双手。
论文指出，这项技术可能会改变手术的方式。通过为医生提供实时的“化学地图”，他们可以做出关于切割什么和保留什么的更好决策。虽然研究人员对他们的测量结果非常有信心——展示了小鼠、猪和人类样本中清晰的化学差异——但他们将此呈现为一个准备好在实际手术中进行测试的强大新工具，而非一个能立即解决所有医学问题的成品。他们证明了这项技术可以用来观察此前不可见的事物，为未来由组织本身的化学真相来引导手术开启了大门。
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