光声成像独特地结合了光学成像的高对比度优势和超声成像的深分辨能力，为体内疾病病理生理学的无创监测提供了卓越的机会。最近，通过使用特定相变纳米探针进行准确的细胞器或亚细胞器水平定位，出现一种新开发的基于光声空化的疾病治疗技术，可在光声成像的指导下迅速、选择性杀死患病的细胞和组织。在脉冲激光照射下，激光触发空化泡的生成、增长和随后的坍塌将引起相对强烈的冲击波，这不仅可以为相对低激光功率照射下的成像提供更高效的光声能量转换机制，还可以通过引发瞬时机械力对病灶区域产生不可逆的局部损伤，从而实现纳米尺度的空化介导的光声治疗策略。与传统治疗方法相比，光声疗法可以有效减轻药物和辐射抗性，具有明确的治疗范围，具有高效治疗效率和良好预后的潜力。然而，目前的普遍困难在于，有效的光声治疗不可或缺地依赖于非可逆的空化纳米材料，如相变型纳米探针或化学触发的气体释放型纳米材料，通常只能提供一次性的作用，稳定性低且无法进行长期监测和治疗。开发新的冲击波激励机制，提供持续的光声空化输出，摆脱当前光声成像引导治疗中对特定纳米探针的依赖，是光声冲击波诊疗学进一步发展和实际应用的重要一步。
针对目前光声治疗对相变纳米探针不可逆的依赖性，本团队从理论和实验上提出了皮秒激光泵浦光声空化技术作为高效、持续冲击波诊疗的新应用，它可以通过使用非相变纳米探针产生高效持续的光声空化输出从而克服对不可逆空化纳米探针的依赖性。
图1 皮秒激光泵浦超快光声空化用于高效持续冲击波诊疗的示意图。（a）传统纳秒激光泵浦热膨胀机制与皮秒激光泵浦光声空化机制的比较；（b）皮秒激光泵浦超快光声空化作为高效持续冲击波诊疗的体内实施示意图；（c）皮秒激光泵浦超快光声空化的相关物理过程及其时间尺度。
在本研究中，巧妙地采用15 nm金纳米颗粒（GNS）与350皮秒的超短脉冲相结合来满足热约束条件。可以导致纳米粒子周围极薄的液体层瞬时加热并超过其空化点，使周围环境产生光声空化效应和冲击波。理论模拟验证，在相同单脉冲能量照射下，在皮秒激光泵浦下，金纳米颗粒很快被加热到超过周围环境空化点（580 K）的高温，周围环境的加热长度相对较小（亚微米级），皮秒激光泵浦光声位移可达数十纳米，相应的原位光声压力可达2 MPa左右，比常规纳秒激光高出约一个数量级。这些结果为皮秒激光泵浦超快光声空化用于高效持续冲击波治疗提供了理论基础。
图2 相同单脉冲能量照射下纳秒和皮秒激光泵浦金纳米球（GNS）的光学和热响应仿真结果。
图3 相同单脉冲能量照射下纳秒和皮秒激光泵浦GNS的光声响应仿真结果。
为了进一步证明皮秒激光激发下空化诱导的精确细胞杀伤，采用共聚焦荧光显微镜观察细胞杀伤过程。如图4所示，经纳秒激光照射的细胞没有观察到明显的细胞死亡。皮秒激光组观察到当细胞受到激光部分照射时，细胞死亡的分布与激光的扫描路径完全重合。表明皮秒激光诱导光声空化疗法的高效性，预示着其巨大的潜力供临床应用。
图4 皮秒激光激发光声空化对EMT6细胞的杀伤作用。
总之，提出了一种由皮秒激光泵浦的超快光声空化技术，作为高效、持续冲击波诊疗的新实施方式。细胞水平和小鼠模型实验均证明了所提出的抗肿瘤方法的良好疗效。这项工作在技术上推动了传统的通过皮秒激光泵浦非相变纳米探针的超快空化进行光声图像引导治疗的进展，预示着高效、长期的冲击波治疗学在临床应用的巨大潜力。
原文链接🔗：https://doi.org/10.1016/j.pacs.2023.100546