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《Bone》
在骨组织的稳态维持和修复过程中，新生血管生成起着至关重要的作用。新生血管不仅参与输送营养和氧气，还为骨再生提供成骨祖细胞。然而，目前缺乏一种能够连续且无需标记地可视化骨微血管的方法，限制了对新生血管动态变化的理解。本文利用活体光声显微成像系统对血管内皮生长因子（VEGF）诱导的小鼠胫骨骨再生过程进行高分辨率、无标记的活体成像研究。研究重点在于观察和量化骨缺损模型中血管生成、重塑的动态变化，并评估局部应用 VEGF 对骨再生的影响。研究结果表明，VEGF 治疗显著促进了血管生成和骨形成，加速了骨缺损的愈合过程。这项研究不仅展示了活体光声显微成像系统作为一种新型无创检测技术在骨再生研究中的应用前景，也为未来骨组织工程和再生医学的发展提供了重要的科学依据。
该研究由南方科技大学的刘超教授及其团队发表于《Bone》。
研究重点
骨损伤治疗的首要临床挑战之一是由血运不良引起的骨不愈合，这种情况在长骨中尤为常见。新血管的形成对骨组织的修复至关重要，当血管生成受到抑制时，骨损伤无法正常愈合，相反，促进血管生成可以显著加速骨损伤的愈合过程。
血管内皮生长因子（VEGF）是骨骼血管网络形成和骨修复的关键信号分子。VEGF 在骨基质受损后由成骨细胞和骨细胞分泌，与血管生成和成骨生成密切相关。作为一种治疗剂，VEGF 从植入的支架中局部递送到临床前动物模型的骨缺损中，已被证明可以促进血管生成、成骨细胞矿化和骨形成。然而，VEGF 在整个骨修复过程中的具体作用仍然难以观察和评估。
活体光声显微成像系统在血管成像方面展现出卓越的性能，特别适用于骨修复过程中血管网络的成像。在本研究中，刘超教授及其团队开发了一种利用活体光声显微成像系统的方法，用于在小鼠胫骨愈合过程可视化新生血管网络。该系统能够实现活体动物在局部递送 VEGF 蛋白后骨愈合过程中功能性血管网络的无标记成像和定量分析。研究数据显示，局部 VEGF 治疗显著促进了骨缺损中的骨形成，进一步证实了活体光声显微成像系统作为研究活体动物长骨缺损修复的有力工具的潜力。
图1. 利用活体光声显微成像系统实现无标记骨血管三维可视化的示意图。
使用活体光声显微成像系统观察胫骨骨缺损部位愈合后的血管环境，通过对骨表面、去除覆盖组织后的血管图像、暴露的内膜以及内膜中的密集血管进行成像，实现了微米尺度血管形态的高分辨率可视化。成像结果证明了活体光声显微成像系统在活体骨血管成像中的可行性和优越性。
图2. 使用活体光声显微成像系统监测骨缺损愈合的新生血管情况，观察血管生长（绿色）和重构（蓝色）。
图2 展示了使用活体光声显微成像系统监测小鼠胫骨缺损修复过程中新生血管的动态变化。这些图像不仅显示了血管结构的变化，而且还捕捉到了血管动态的细微差别，如单个血管的连续生长和重塑，以及血管网络的整体变化。通过这种长期、无标记的活体成像技术，研究人员能够直观地观察到血管生成和骨缺损修复的过程，从而为理解骨再生的血流动力学提供了宝贵的信息。
图3. 活体光声显微成像系统对 VEGF 治疗组和对照组胫骨缺损愈合期间的血管成像。
在小鼠双侧胫骨各制造 0.6 mm 的缺损，左侧缺损用 VEGF 治疗，右侧缺损作为对照，然后使用活体光声显微成像系统对两者进行长期观察。与对照组相比，在骨修复的每个观察时间点，VEGF 治疗组的缺损部位血管密度都明显更大，并且总血红蛋白浓度也呈现相同的趋势。这些结果不仅证实了 VEGF 在促进骨修复中的作用，更强调了活体光声显微成像系统作为一种无标记、活体成像工具在骨组织工程和再生医学研究中的潜力和重要性。
论文信息：
High resolution intravital photoacoustic microscopy reveals VEGF-induced bone regeneration in mouse tibia
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.bone.2022.116631
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