用光学方法探索生命的奥秘

《Optical Methods for Life Sciences》专题介绍

生命科学与信息技术的发展与人类的健康、生活息息相关。运用光电子学的原理与技术探索生命科学中的奥秘，对人类认识生命的本质、疾病的诊断与治疗有巨大的帮助。各种光学探测与诊疗手段已在生物与医学领域有着广泛的应用。

常见的用于生命科学的光学手段主要包括：依靠光学显微镜对生物样本的放大能力，来观察肉眼难以分辨的微观结构；使用特殊的转基因荧光蛋白或者化学荧光染料标记生物样本中的细胞，来获得更高的图像对比度和光学定位精度；借助具有光开关功能的细胞表面离子通道蛋白（如ChR2）或者光敏感的细胞电压蛋白，来实现光对神经细胞活动的精确控制或者抑制，从而提供一种有别于传统电生理的非侵入式的神经细胞操控手段。在疾病诊疗方面，以内窥镜为代表的医用诊疗技术已非常成熟，为医生在术前、术中精确地判断病灶提供了重要帮助。其他诸如光声成像、光谱分析成像和光学相干断层成像等技术，也都在疾病诊断中发挥着重要作用。

Chinese Optics Letters (COL) 2017年第9期出版Optical Methods for Life Sciences 专题，发表了多个国际知名课题组的优秀论文。华中科技大学骆清铭教授、付玲教授和意大利佛罗伦萨大学Francesco Pavone教授担任专题编辑。

本专题中，香港中文大学的Shih-Chi Chen教授团队开发了一种新的成像技术，该技术结合了可以做快速光束整形的数字微镜阵列和可以快速变焦的电子可调透镜（下图），实现了速度更快、分辨率更高的3D荧光成像，为高质量的生物荧光成像提供了一个经济的解决方案。

图. 基于结构光照明（SIM）和电子可调谐透镜（ETL）的快速3D成像系统。上图：系统光路图示。下图：（a-c）改变电子可调谐透镜输出电流，以观察不同深度下花粉粒荧光图像；（d-f）同样的样本下，通过z轴移动样本平移台得到不同深度花粉粒荧光图像。（图片来自：Dongping Wang, et al . , Chinese Optics Letters 15 (9), 090004 (2017). ）

可视化大脑的组织结构是神经科学研究的基本需求。华中科技大学的付玲教授团队展示了大视场二次谐波显微成像能够区分小脑和脑干组织的分层和分区（下图）。结合双光子荧光成像和荧光标记转基因GAD67小鼠，证实二次谐波显微镜具有细胞分辨水平，并在二次谐波图像上可以分析获取不同分层和亚区的神经元细胞密度。

图. （a）二次谐波显微镜获取的小脑脑干脑片的形态结构图；（b）二次谐波与（c）双光子对荧光标记转基因GAD67小鼠脑片同时成像的结果；（d）是二次谐波与双光子的叠加图。黑色、蓝色和白色箭头分别示意分子层（ML）、蒲肯野细胞层（PCL）和颗粒细胞层(GL)的神经元胞体。（图片来自：Xiuli Liu, et al . , Chinese Optics Letters 15 (9), 090003 (2017). ）

深圳大学的屈军乐教授团队使用基于SIFT（尺度不变特征变换）的图像识别算法来分析荧光寿命显微镜拍摄的恶性胶质瘤细胞在手术中的转移过程（下图）。这项工作为脑胶质瘤等恶性肿瘤的术中切缘评估（intraoperative margin assessment）提供了一种快速简便的辅助手段，具有很好的应用前景。

图. 通过SIFT的算法分析在苏木精-伊红（hematoxylin and eosin，H&E）染色的脑胶质瘤连续切片的荧光寿命图像中细胞外基质（extracellular matrix，ECM）的分布和变化来识别有可能携带癌变信息的区域。（图片来自：Danying Lin, et al . , Chinese Optics Letters 15 (9), 090006 (2017). ）

萨拉托夫国立研究大学的V. Tuchin教授团队使用激光散斑成像的方法，发现对于在由声音诱导的血脑屏障打开现象中的大脑血液流动静脉表现得更为敏感，而不是大家通常认为的微血管。这项工作给人们提供了与血脑屏障损伤相关的大脑血液流动改变的更多信息。

除此之外，光学相干断层成像（OCT）领域在近期也有新的进展。例如，来自爱尔兰国立高威大学的M. Leahy教授团队，从传统的多参数OCT显微图像中得到了相位信息，这给传统OCT图像的分析提供了新的维度。德国耶拿大学的J. Popp教授团队将拉曼光谱成像和OCT成像技术结合起来，用来分析动脉粥样硬化的血小板分布情况（下图）。