经典文献赏析：脑膜淋巴管的活体三维高分辨光声成像

近日，华南师范大学激光生命科学重点实验室的杨思华教授和海南大学生物医学工程重点实验室的周非凡教授研究团队，在脑膜淋巴管（mLVs）的活体成像技术上取得了显著成果。该团队采用立体宽视野光声显微镜（DCF-PAM）技术，成功实现了对脑淋巴系统和大脑皮质血管（CVs）的大视野活体成像。这一技术的应用，不仅提高了对mLVs三维形态结构和动态行为的认识，也为研究mLVs在代谢废物清除中的作用提供了新的视角。

研究背景

脑膜淋巴管（mLVs）的发现革新了我们对中枢神经系统（CNS）免疫特权和代谢废物清除机制的理解。这些淋巴管通过连接颈部淋巴结，对调节脑脊液（CSF）循环和排出CNS中的大分子、废物和多余液体至关重要。尽管脑膜淋巴管的研究仍处于初期阶段，它们在CNS代谢废物清除中的作用正逐渐被认识。然而，我们对mLVs如何通过脑脊液循环清除大脑代谢废物的全面机制尚不完全清楚，且mLVs的形态和功能差异可能与大脑神经系统疾病的发生和进展紧密相关。为了深入理解大脑免疫功能的复杂性并为治疗CNS相关疾病提供线索，需要高分辨率和大视场的成像技术来实现mLVs的全脑视角活体可视化，这在当前仍是一项巨大的技术挑战。特别是，活体状态下mLVs的立体形态和动态行为的可视化，需要进一步的技术突破和发展。

研究亮点

在本研究中，研究团队采用双对比功能性光声显微镜（DCF-PAM）技术，创新性地实现了小鼠脑膜淋巴管和脑血管的活体三维共定位成像（图1） 。该显微镜扫描范围覆盖了整个小鼠大脑的横截面，具有3.75毫米的深度成像能力，以及8.9μm和6.1μm的双对比横向分辨率，这使得研究者能够清晰区分位于脑膜上的淋巴管和脑实质内的脑脊液途径。研究团队利用mLVs排液大分子的特性，设计了一种大分子示踪剂，通过将吲哚菁绿（ICG）染料结合到卵清蛋白（OVA）上，形成了用于光声成像的示踪剂。该示踪剂注入脑脊液后，通过mLVs的排液功能被排出，并被追踪监测，从而获得了脑淋巴系统的活体光声三维高分辨成像结果。同时，内源性造影剂血红蛋白也被用于对脑血管进行成像，进一步丰富了成像信息。

图1 脑膜淋巴管和脑血管的活体三维高分辨成像示意图

研究结果

研究人员向小鼠颅内大池注入示踪剂，该示踪剂随后流入脑膜淋巴管和脑脊液途径，帮助清除大脑中的废物。利用双对比功能性光声显微镜，获得了位于硬脑膜上的脑膜淋巴管图像以及位于脑实质中的胶质淋巴通路图像。

图2 三维PA图像和脑冠状面图

图3 脑膜淋巴管和脑血管的活体三维高分辨成像示意图

在对阿尔茨海默病（AD）小鼠模型的研究中，研究人员发现与野生型（WT）小鼠相比，AD小鼠的mLVs引流量显著减少，大约减少了70%。随着AD的进展，mLVs的引流功能持续下降。这一发现清楚地表明了AD小鼠模型中中枢神经系统引流功能的损害。此外，研究人员还观察到，在AD小鼠中，与年轻小鼠相比，mLVs的引流量减少，这可能是由于脑膜功能的不完全发育所致。

图4 WT和AD鼠在5-6个月、10-12个月时mLVs和CVs的代表性PA图像

总结展望

本研究通过双对比功能性光声显微镜技术，首次实现了活体内脑淋巴和脑血管的三维共定位高分辨可视化。该技术成功区分并提取了胶质淋巴通路和脑膜淋巴管的三维成像结果，解决了以往技术难以对脑膜淋巴管进行大视野单一成像的问题。研究发现，DCF-PAM系统能够在保持高分辨率的同时，动态监测脑脊液的引流情况。特别是在早期（5-6个月）阿尔茨海默病模型发病阶段，该技术能够检测到脑膜淋巴管的代谢功能损伤，这一发现比传统免疫荧光方法提前了几个月，为早期AD的诊断和治疗提供了新的视角和方向。此外，该技术在大视野下提供的特异性、高分辨、立体形态学和功能成像，对活体脑膜淋巴管的基础研究和应用具有重要意义，并为脑膜淋巴管相关疾病的诊断和治疗提供了新的工具，进一步拓宽了我们对大脑引流机制的理解。未来的研究可以利用这一技术，进一步探索脑膜淋巴管在不同神经疾病状态下的功能变化，并研究如何通过调节脑膜淋巴管的功能来开发新的治疗方法。

论文信息

Yang, F., Wang, Z., Shi, W. et al. Advancing insights into in vivo meningeal lymphatic vessels with stereoscopic wide-field photoacoustic microscopy. Light Sci Appl 13, 96 (2024). 

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01450-0

小动物活体多模态超高分辨率成像系统

应用实例

脑功能 脑淋巴 脑血管

肿瘤及分子探针

皮肤、器官和腔道

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