用于灌注心脏功能监测的多路复用光纤荧光技术

《Analytical Chemistry》：Multiplexed Fiber-Optic Fluorescence for Functional Monitoring of Perfused Hearts

实时监测离体Langendorff灌注心脏生物化学与生理动态的多激发光纤光谱系统。该系统采用单光纤探头实现多色激发与荧光收集，集成心室内压力传感器，通过多变量回归分析消除 autofluorescence背景和运动伪影，成功量化荧光标记物TMRE反映的线粒体膜电位动态，并验证了其在心肌收缩力评估中的可靠性。

　　心脏是人体最重要的器官之一，其功能的正常运作对于维持生命至关重要。因此，研究心脏的分子动态不仅有助于理解其生理和病理机制，还能为新型心脏治疗手段的开发和评估提供关键信息。近年来，随着生物医学技术的不断进步，研究人员越来越关注如何通过非侵入性、实时的方式监测心脏内部的生化和生理过程。本文介绍了一种基于多激发、比率荧光的光纤光谱平台，用于在离体灌注的心脏模型中进行实时监测。该系统结合了光学测量与心室压力传感功能，能够同时获取心脏内部的生化信号和机械功能数据，从而实现对心脏功能的全面评估。

为了实现这一目标，研究人员设计了一种光纤气球探针，该探针可以被插入左心室并通过灌注液进行充气，以测量心室内的压力变化。这一设计不仅使探针能够贴靠在心内膜表面，还允许在心脏跳动过程中进行稳定、局部的光学检测。此外，该系统采用了多边带通滤波器，使得可以同时进行荧光光谱分析，从而区分外源性和内源性荧光物质。结合多变量回归分析，研究人员能够精确地量化荧光物质的浓度，从而更准确地评估心脏的生化和功能动态。

在实际应用中，该系统被用于监测一种名为TMRE的荧光物质，该物质是一种脂溶性阳离子荧光探针，能够反映线粒体膜电位的变化。TMRE在低浓度下表现出线性信号响应，而在高浓度下则可能由于分子间的π-π堆积作用而导致信号饱和。通过使用TMRE作为示踪剂，研究人员能够动态地观察线粒体膜电位的变化，并结合心室压力数据，进一步揭示心脏功能与线粒体状态之间的关系。这一方法的优势在于，它能够在心脏跳动过程中实时监测信号，同时减少运动伪影对结果的影响。

为了克服运动伪影的问题，该系统引入了一种比率荧光技术，通过同时监测一种作为参考的荧光物质（如DDAO）来校正几何变化和动态变化。DDAO是一种具有658 nm发射峰的细胞渗透性荧光物质，其发射光谱与TMRE和FAD等内源性荧光物质之间存在显著差异，使其成为理想的参考探针。通过将TMRE的信号与DDAO的信号进行比率分析，研究人员能够有效消除由于探针位置变化或心脏收缩引起的信号波动，从而获得更准确的生物化学信息。

在实验设计方面，该系统采用了标准化的Langendorff灌注模型，这是一种广泛用于心血管研究的离体心脏灌注技术。通过这种方法，研究人员能够在接近生理条件下研究心脏的功能和结构。实验过程中，心脏被灌注以维持其正常的代谢和收缩功能，同时通过光纤探针进行荧光信号的采集。这种技术不仅适用于研究心脏的基本生理特性，还能够用于评估药物对心脏功能的影响，以及监测心脏在不同病理条件下的动态变化。

此外，该系统还具备良好的适应性和扩展性，可以与其他成像技术（如核磁共振、正电子发射断层扫描和单光子发射计算机断层扫描）相结合，形成多模态成像平台。这种整合不仅提高了数据的全面性和准确性，还为未来的跨学科研究提供了新的可能性。例如，研究人员可以同时获取心脏的结构、功能和生化信息，从而更深入地理解心脏疾病的发生机制和治疗效果。

在系统稳定性方面，研究人员通过优化光源和光学组件的设计，确保了在长时间实验过程中信号的稳定性和重复性。通过使用高功率LED作为光源，并结合专用的滤波器和分束器，研究人员能够实现高灵敏度的荧光信号采集。同时，为了减少系统背景噪声的影响，研究人员还采用了多波段滤波器和线性偏振器，以提高信噪比和信号的清晰度。这些技术改进使得该系统能够在复杂和动态的实验环境中保持高精度的测量能力。

在实验过程中，研究人员还对系统的光学性能进行了详细分析，包括光源的稳定性、光纤耦合效率以及光谱库的校准。通过测量不同波长下的光功率，研究人员能够计算出各组件的传输效率，并优化整个光路设计，以确保最佳的信号采集效果。此外，为了校正长期的光源漂移和光纤耦合效率的变化，研究人员在每次实验前对系统进行了校准，并通过软件算法进行实时修正，从而确保数据的准确性和可靠性。

该系统的另一个重要特点是其对组织吸收和散射效应的处理能力。由于组织的光学特性会显著影响荧光信号的强度和形态，研究人员采用了基于光谱库的多变量回归分析方法，以区分不同荧光物质的信号并去除背景干扰。这种方法不仅提高了信号的分辨率，还使得系统能够在复杂的生理和病理条件下准确地监测多种荧光物质的变化。此外，通过选择合适的波长范围，研究人员能够最大限度地减少组织反射对信号的影响，从而提高测量的灵敏度和准确性。

在实际应用中，该系统已被成功用于监测TMRE在心脏中的动态行为，特别是在不同浓度和不同处理条件下（如CCCP处理）。这些实验结果显示，TMRE在低浓度下能够稳定地反映线粒体膜电位的变化，而在高浓度下则可能出现信号饱和或非线性响应。通过比率校正技术，研究人员能够有效消除由于心脏运动引起的信号波动，从而获得更精确的生物化学信息。同时，系统还能够检测到其他未知的荧光成分，这为未来研究心脏内部的复杂生化网络提供了新的工具和方法。

该系统的开发不仅为心血管研究提供了新的技术手段，也为其他器官系统的微创成像研究奠定了基础。由于其设计紧凑、操作简便且具有良好的适应性，该系统有望被广泛应用于临床前研究和基础科学研究中。通过结合多模态成像技术，研究人员可以更全面地了解心脏的生理和病理状态，从而为开发新的诊断和治疗策略提供科学依据。此外，该系统还能够用于评估新型荧光探针的性能，为未来荧光成像技术的发展提供支持。

总的来说，这种多激发、比率荧光的光纤光谱平台为实时监测心脏的生化和生理动态提供了一种非侵入性的解决方案。它不仅能够克服传统荧光成像技术中的局限性，如运动伪影和低时间分辨率，还能够实现对多种荧光物质的同时监测。这种技术的出现标志着心血管研究在成像和数据分析方法上的重要进展，为深入理解心脏功能和疾病机制提供了强有力的支持。未来，随着该技术的进一步优化和推广，它有望在临床研究和药物开发中发挥更大的作用。