用光學方法探索生命的奧秘

《Optical Methods for Life Sciences》專題介紹

生命科學與信息技術的發展與人類的健康、生活息息相關。運用光電子學的原理與技術探索生命科學中的奧秘，對人類認識生命的本質、疾病的診斷與治療有巨大的幫助。各種光學探測與診療手段已在生物與醫學領域有著廣泛的應用。

常見的用於生命科學的光學手段主要包括：依靠光學顯微鏡對生物樣本的放大能力，來觀察肉眼難以分辨的微觀結構；使用特殊的轉基因熒光蛋白或者化學熒光染料標記生物樣本中的細胞，來獲得更高的圖像對比度和光學定位精度；借助具有光開關功能的細胞表麵離子通道蛋白（如ChR2）或者光敏感的細胞電壓蛋白，來實現光對神經細胞活動的精確控製或者抑製，從而提供一種有別於傳統電生理的非侵入式的神經細胞操控手段。在疾病診療方麵，以內窺鏡為代表的醫用診療技術已非常成熟，為醫生在術前、術中精確地判斷病灶提供了重要幫助。其他諸如光聲成像、光譜分析成像和光學相幹斷層成像等技術，也都在疾病診斷中發揮著重要作用。

Chinese Optics Letters (COL) 2017年第9期出版Optical Methods for Life Sciences 專題，發表了多個國際知名課題組的優秀論文。華中科技大學駱清銘教授、付玲教授和意大利佛羅倫薩大學Francesco Pavone教授擔任專題編輯。

本專題中，香港中文大學的Shih-Chi Chen教授團隊開發了一種新的成像技術，該技術結合了可以做快速光束整形的數字微鏡陣列和可以快速變焦的電子可調透鏡（下圖），實現了速度更快、分辨率更高的3D熒光成像，為高質量的生物熒光成像提供了一個經濟的解決方案。

圖. 基於結構光照明（SIM）和電子可調諧透鏡（ETL）的快速3D成像係統。上圖：係統光路圖示。下圖：（a-c）改變電子可調諧透鏡輸出電流，以觀察不同深度下花粉粒熒光圖像；（d-f）同樣的樣本下，通過z軸移動樣本平移台得到不同深度花粉粒熒光圖像。（圖片來自：Dongping Wang, et al . , Chinese Optics Letters 15 (9), 090004 (2017). ）

可視化大腦的組織結構是神經科學研究的基本需求。華中科技大學的付玲教授團隊展示了大視場二次諧波顯微成像能夠區分小腦和腦幹組織的分層和分區（下圖）。結合雙光子熒光成像和熒光標記轉基因GAD67小鼠，證實二次諧波顯微鏡具有細胞分辨水平，並在二次諧波圖像上可以分析獲取不同分層和亞區的神經元細胞密度。

圖. （a）二次諧波顯微鏡獲取的小腦腦幹腦片的形態結構圖；（b）二次諧波與（c）雙光子對熒光標記轉基因GAD67小鼠腦片同時成像的結果；（d）是二次諧波與雙光子的疊加圖。黑色、藍色和白色箭頭分別示意分子層（ML）、蒲肯野細胞層（PCL）和顆粒細胞層(GL)的神經元胞體。（圖片來自：Xiuli Liu, et al . , Chinese Optics Letters 15 (9), 090003 (2017). ）

深圳大學的屈軍樂教授團隊使用基於SIFT（尺度不變特征變換）的圖像識別算法來分析熒光壽命顯微鏡拍攝的惡性膠質瘤細胞在手術中的轉移過程（下圖）。這項工作為腦膠質瘤等惡性腫瘤的術中切緣評估（intraoperative margin assessment）提供了一種快速簡便的輔助手段，具有很好的應用前景。

圖. 通過SIFT的算法分析在蘇木精-伊紅（hematoxylin and eosin，H&E）染色的腦膠質瘤連續切片的熒光壽命圖像中細胞外基質（extracellular matrix，ECM）的分布和變化來識別有可能攜帶癌變信息的區域。（圖片來自：Danying Lin, et al . , Chinese Optics Letters 15 (9), 090006 (2017). ）

薩拉托夫國立研究大學的V. Tuchin教授團隊使用激光散斑成像的方法，發現對於在由聲音誘導的血腦屏障打開現象中的大腦血液流動靜脈表現得更為敏感，而不是大家通常認為的微血管。這項工作給人們提供了與血腦屏障損傷相關的大腦血液流動改變的更多信息。

除此之外，光學相幹斷層成像（OCT）領域在近期也有新的進展。例如，來自愛爾蘭國立高威大學的M. Leahy教授團隊，從傳統的多參數OCT顯微圖像中得到了相位信息，這給傳統OCT圖像的分析提供了新的維度。德國耶拿大學的J. Popp教授團隊將拉曼光譜成像和OCT成像技術結合起來，用來分析動脈粥樣硬化的血小板分布情況（下圖）。