深耕計(jì)算光學(xué)顯微成像打造生命科學(xué)研究“利器”
——記中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所研究員李輝

□ 劉 賀

李輝在實(shí)驗(yàn)室檢查儀器設(shè)備

“工欲善其事，必先利其器”取字面釋義，直接說明了“利器”對(duì)于成事的重要價(jià)值。

在生命科學(xué)與基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，顯微鏡都是最常用的工具之一。但是常規(guī)“所見即所得”的顯微鏡，無法滿足幾十納米尺度的精細(xì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)觀測(cè)以及大量顯微成像圖像中的數(shù)據(jù)提取要求。中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所（簡(jiǎn)稱“蘇州醫(yī)工所”）研究員李輝和他的團(tuán)隊(duì)聚焦計(jì)算光學(xué)顯微成像技術(shù)與系統(tǒng)，從新的角度設(shè)計(jì)光學(xué)成像系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)字圖像處理和強(qiáng)大的計(jì)算能力，顯著提升了成像的分辨能力和圖像信息獲取效率，輸出自主研制的儀器設(shè)備，為生物學(xué)研究專家提供稱手的“武器”。

一技傍身，轉(zhuǎn)路儀器研發(fā)

從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系畢業(yè)后，李輝先后于中國(guó)科學(xué)院、德國(guó)康斯坦茲大學(xué)、美國(guó)愛荷華州立大學(xué)和諾特丹大學(xué)開展對(duì)生物大分子與細(xì)胞結(jié)構(gòu)觀測(cè)的研究。得益于實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的背景，面向生物學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的儀器開發(fā)一直對(duì)他有濃厚的吸引力?！拔覍?duì)光學(xué)顯微成像的接觸是從德國(guó)開始的，那時(shí)候主要是在操縱生物大分子的同時(shí)，通過單分子熒光觀察生物大分子的構(gòu)象變化?！?/p>

2013年回國(guó)后，不滿足于生物大分子尺度的研究限制，李輝決定上升到細(xì)胞層次深化顯微成像技術(shù)和儀器研發(fā)。他說：“與凝聚態(tài)材料不同，生命體的組成從分子、細(xì)胞、組織到整個(gè)活體，不同層次的結(jié)構(gòu)與功能形態(tài)各異。單純的生物大分子代表一個(gè)最小生命功能單元，無法反映絢麗的生命過程?！?/p>

隨著研究的深入進(jìn)行，從儀器對(duì)活細(xì)胞的友好程度以及所體現(xiàn)的時(shí)間效率等角度考慮，李輝認(rèn)為，結(jié)構(gòu)光照明超分辨顯微鏡將會(huì)在未來的應(yīng)用市場(chǎng)中大有用處?！敖Y(jié)構(gòu)光照明超分辨成像是一種典型的計(jì)算光學(xué)顯微成像方法。在儀器光學(xué)和控制上，我們需要解決如何產(chǎn)生高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)光以及同步切換的問題；在計(jì)算上，我們需要設(shè)計(jì)圖像重建算法來實(shí)現(xiàn)高保真和高效率的超分辨圖像重建。在四五年的時(shí)間里，我們搭建了兩套結(jié)構(gòu)光照明顯微成像設(shè)備，適用于不同的生物學(xué)應(yīng)用環(huán)境和需求。我們與眾多分子與細(xì)胞生物學(xué)以及病理學(xué)領(lǐng)域的研究專家合作，為解決生物醫(yī)學(xué)重大問題提供了幫助?！?/p>

依托國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金以及多個(gè)人才類項(xiàng)目，李輝帶領(lǐng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的結(jié)構(gòu)光照明超分辨顯微鏡取得了一系列突破。2018年9月，蘇州醫(yī)工所舉辦了第一屆光學(xué)顯微成像培訓(xùn)班，在全國(guó)范圍內(nèi)選拔30多位學(xué)生共同學(xué)習(xí)最新的顯微成像技術(shù)，試用顯微成像儀器?！安煌诔Ｒ姷膰?guó)外儀器廠商的培訓(xùn)會(huì)，我們所展示的結(jié)構(gòu)光照明超分辨顯微鏡等5套設(shè)備皆為自主研發(fā)，負(fù)責(zé)進(jìn)行這次培訓(xùn)的人員也就是儀器的研發(fā)人員。”在李輝看來，這種設(shè)備的集中展示能夠讓國(guó)內(nèi)生命科學(xué)領(lǐng)域的專家更好地了解國(guó)產(chǎn)儀器的優(yōu)勢(shì)，贏得更多生命科學(xué)研究領(lǐng)域人士的認(rèn)可與肯定。

超分辨顯微成像：細(xì)致入微

根據(jù)李輝介紹，結(jié)構(gòu)光照明超分辨成像具有非特定熒光標(biāo)記和寬場(chǎng)采圖等優(yōu)點(diǎn)，在時(shí)間分辨率和抑制光漂白方面優(yōu)勢(shì)顯著。而他們目前擁有的DMD結(jié)構(gòu)光照明器和激光干涉結(jié)構(gòu)光照明超分辨成像系統(tǒng)，則是根據(jù)用戶在成本、精準(zhǔn)度等方面不同的需求“定向”研發(fā)的。

課題組成員合影

基于數(shù)字微鏡陣列DMD的結(jié)構(gòu)光照明器，用李輝的話來說，是一個(gè)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單的“照明模塊”。“采用投影式結(jié)構(gòu)光，DMD結(jié)構(gòu)光照明器和傳統(tǒng)共聚焦顯微鏡相比，分辨率提高了1.5倍左右，而且視頻拍攝的速度也相對(duì)較快，大致可以達(dá)到每秒20～50幀，可以精準(zhǔn)地捕捉到活細(xì)胞內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化?！崩钶x還強(qiáng)調(diào)，由于“模塊”較小，它可以搭載絕大多數(shù)倒置熒光顯微鏡，將其從普通顯微鏡升級(jí)為超分辨率顯微成像系統(tǒng)，同時(shí)具備三維層切成像的能力?！皩?duì)常規(guī)顯微鏡的升級(jí)，它能夠?qū)崿F(xiàn)更加精確的成像效果。目前在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院等單位試用后取得了很好的成像效果。我們也與知名顯微鏡代理商達(dá)成數(shù)十套設(shè)備的技術(shù)開發(fā)協(xié)議?！?/p>

如果把DMD結(jié)構(gòu)光照明器的開發(fā)看作李輝研發(fā)團(tuán)隊(duì)的“牛刀小試”，那么分辨率、視頻拍攝速度媲美國(guó)際領(lǐng)先設(shè)備的激光干涉結(jié)構(gòu)光照明超分辨成像系統(tǒng)，應(yīng)該算是他們成熟的代表作。為了達(dá)到更好的結(jié)構(gòu)光調(diào)制效果，他們對(duì)激光的偏振調(diào)控、位圖加載、時(shí)序同步等進(jìn)行了一系列優(yōu)化改進(jìn)，建立了高保真的超分辨圖像重建算法等，最終開發(fā)了集光源合束模塊、結(jié)構(gòu)光生成模塊、電子學(xué)控制系統(tǒng)、超分辨圖像重建算法和軟件等于一體的激光干涉結(jié)構(gòu)光照明超分辨顯微鏡。成像速度在512×512像素的視場(chǎng)下可以達(dá)到每秒10幀，分辨率優(yōu)于90納米，適用于活細(xì)胞內(nèi)精細(xì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)成像，可廣泛應(yīng)用于分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、生物物理學(xué)等研究領(lǐng)域。

與此同時(shí)，他還表示會(huì)將超分辨成像技術(shù)應(yīng)用于病理分析與診斷中。目前病理診斷常用的光學(xué)顯微鏡通常分辨率較低，無法在疾病的早期發(fā)現(xiàn)亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化，影響診斷的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。將計(jì)算光學(xué)顯微成像方法應(yīng)用于病理診斷，研發(fā)具備納米尺度分辨率、實(shí)時(shí)成像以及特異性分子識(shí)別能力的成像系統(tǒng)，為病理分析提供融合形態(tài)病理學(xué)和分子病理學(xué)方法的新型研究和診斷工具，期望建立基于染色體和線粒體超分辨成像的癌癥早期診斷和分型分級(jí)方法。

高通量微流道成像：多多益善

除了超分辨顯微成像，近兩年李輝及其團(tuán)隊(duì)還進(jìn)入到高通量成像領(lǐng)域，開發(fā)了一套微小模式生物高通量成像與分選系統(tǒng)?！澳壳耙园唏R魚等為代表的微小模式動(dòng)物，由于其體積小、通體透明，非常適合活體成像，可定量分析許多復(fù)雜的生理過程，已成為發(fā)育生物學(xué)研究、大規(guī)模遺傳和藥物篩選的‘明星生物’?！比欢?，大規(guī)模飼養(yǎng)的微小模式生物在顯微鏡下觀察時(shí)需人工揀選，并且只能局部成像，數(shù)據(jù)采集效率低下，這也讓它們從一定程度上喪失了作為微小模式生物的優(yōu)勢(shì)。

為此，李輝及其團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套微小模式生物高速分選及三維成像系統(tǒng)。這套系統(tǒng)一方面基于線陣相機(jī)的微流道快速成像進(jìn)行初級(jí)成像與分選，速度可達(dá)到每秒10個(gè)斑馬魚胚胎；同時(shí)采用全自動(dòng)光片照明來實(shí)現(xiàn)高分辨的三維斑馬魚胚胎整體成像，成像速度達(dá)到每秒1個(gè)胚胎，成像分辨率達(dá)到1微米。李輝強(qiáng)調(diào)：“這樣大規(guī)模的圖像數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)時(shí)的圖像處理和后期的統(tǒng)計(jì)分析都提出了新的要求，這也是計(jì)算光學(xué)顯微成像迫切需要解決的問題?！边@樣的高通量成像設(shè)備，通過對(duì)接已成熟的大規(guī)模模式動(dòng)物、胚胎收獲體系和高通量給藥系統(tǒng)，將實(shí)現(xiàn)高通量遺傳及藥物篩選，屆時(shí)會(huì)對(duì)再生生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、藥物研發(fā)等領(lǐng)域起到極大的推動(dòng)作用。

“目前，我們將儀器設(shè)備投入到部分科研院所和醫(yī)院，整體反饋效果良好。以后會(huì)從用戶進(jìn)一步的需求出發(fā)，發(fā)展定制化的特色服務(wù)?！奔幢阍O(shè)備儀器全面產(chǎn)業(yè)化還需要時(shí)間，但李輝認(rèn)為，優(yōu)良的性能、及時(shí)的反饋改進(jìn)、相對(duì)于國(guó)外同等設(shè)備的經(jīng)濟(jì)適用性，都將成為國(guó)產(chǎn)“顯微成像利器”的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于自身團(tuán)隊(duì)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，李輝也有明確的認(rèn)知。在他看來，他們是一支融合光學(xué)、機(jī)械、電子控制、算法軟件和生物學(xué)應(yīng)用的多交叉科研開發(fā)團(tuán)隊(duì)，結(jié)構(gòu)合理，且具備強(qiáng)有力的自發(fā)積極性和凝聚力。秉承技術(shù)開發(fā)、應(yīng)用示范和成果轉(zhuǎn)化一條龍研究，與積極有效的對(duì)外合作相匹配的理念，在未來他們要將光學(xué)設(shè)計(jì)與計(jì)算方法結(jié)合起來，將生物醫(yī)學(xué)顯微成像推向“更高（分辨率）、更深(成像深度）、更快（成像速度）、更大（視場(chǎng)范圍）”。