一种基于光吸收散射成像活体表征斑马鱼大脑的新方法及其在阿尔兹海默病应用基础研究

Brain disease, such as Alzheimer's disease (AD), is a serious threat to human health. Zebrafish model plays an important role in the basic research on brain disease. However, current researches lack of an optical imaging method that could in vivo high-resolution characterize the brain of zebrafish from juvenile to adult. Our published results demonstrated that optical coherence tomography (OCT) can in vivo image the three-dimensional structure of an adult zebrafish's brain with high resolution. Our preliminary experimental results demonstrated that PAM can label-free in vivo image the vascular morphology of a zebrafish at multi-scale with high contrast, and OCT can monitor the development of a zebrafish's brain from juvenile to adult. This study was designed to integrate a PAM system and a OCT system into the same platform. The PAM (optical absorbing) image and the OCT (optical scattering) image will be obtained simultaneously. Features of different functional areas in the zebrafish brain will be characterized quantitatively and recorded to establish a database. Database based new method will be employed to characterize AD zebrafish models. This study will provide a new technical scheme and equipment support for zebrafish-brain based researches in the life sciences or medicine.

人脑疾病如阿尔兹海默病严重的威胁着人类健康，斑马鱼模型在脑疾病相关基础研究中发挥着重要作用。但是目前的研究中，尚缺少可以高分辨率活体表征幼年到成年斑马鱼大脑的光学成像方法。申请人已经发表的结果表明，光学相干层析术（OCT）可以高分辨率活体成像成年斑马鱼大脑的三维结构；针对本项目的预实验结果表明，光声显微术（PAM）可以无标记活体多尺度成像斑马鱼的血管形态，OCT可以监控同一斑马鱼大脑幼年到成年的发育过程。本研究拟将PAM系统和OCT系统集于同一平台，同时获取斑马鱼大脑的PAM（光吸收）图像和OCT（光散射）图像，并量化提取不同脑区的特征参数，建立数据库，构建一种基于可视化影像和量化参数的表征斑马鱼大脑的新方法，进一步将该方法应用到阿尔兹海默病斑马鱼模型的基础研究。本课题的开展将为基于斑马鱼大脑模型开展的生命科学研究和医学研究提供一种新的技术方案和设备支持。

斑马鱼作为一种新型模式动物越来越广泛的用于神经生物学和疾病相关的研究，本项目的开展正处于斑马鱼脑活体成像技术缺乏的关键时期。本项目通过改进和融合光声成像和光学相干层析成像这两种新型光学成像技术，有针对性的开发了斑马鱼大脑光吸收和光散射参数的活体成像平台，主要开展了以下三方面工作：1）开展了斑马鱼脑幼年到成年发育过程的活体监控和评价工作，基于光学图像三维可视化了三个生理阶段不同视角下的脑结构特征，病理切片技术充分证明了光学成像结果的准确性；2）开展了斑马鱼大脑光吸收图像的活体多波长获取，以及光吸收图像与光散射图像的空间配准和分析工作，获取脑血流灌注、脂质分布等关键生理参数；3）构建了Aβ蛋白诱导的阿尔兹海默斑马鱼模型，基于无损光学成像技术开展了长达20天的监控，可视化了脑组织萎缩性空洞的发生和发展过程。本项目围绕着将光学成像技术应用到医学研究的思路，为基于斑马鱼模型开展的脑相关研究提供了较好的活体成像技术方案。在完成既定核心工作的同时积极拓展研究范围，三年时间发表英文期刊论文7篇，中文期刊论文3篇，会议论文2篇；申请发明专利3项，授权实用新型专利2项；已毕业硕士1人，在读博士1人，在读硕士4人；较好的完成了预期目标。