探秘活體生物成像 聚焦人類生命健康

細胞是一切生命活動的基本結構和功能單位，一切生命現(xiàn)象的奧秘都要從細胞中尋求解答。近些年來，對活體狀態(tài)下的生命活動進行細胞、亞細胞水平的觀察與探測已經(jīng)成為生命科學、醫(yī)學研究及藥物開發(fā)等領域的重要研究手段之一。為了能夠更好地觀察到細胞中分子水平的生命現(xiàn)象，浙江大學光電科學與工程學院研究員郭敏就投身到這一領域，進行了長達十多年的深耕探索。

俗話說：“工欲善其事，必先利其器?！痹诠艨磥?，光學顯微成像技術便是人們探索生命奧秘的得力武器。經(jīng)年累月在科研領域不懈開拓，他從顯微成像機理出發(fā)，提出新的理論和方法，通過新型硬件和算法設計，不斷打造更為先進的“尖兵利器”，實現(xiàn)更為精準的細胞超微結構觀察及生命機理闡釋，取得了一系列系統(tǒng)而連貫的創(chuàng)新成果，在國際生命科學領域留下了一名中國科研工作者的創(chuàng)新足跡。

科研筑夢——緣分使然的光學之旅

“我個人覺得我跟光學這一領域還是比較有緣分的?！惫粽f。自中學時代起，他就擁有一個“逐夢光學”的理想。以夢為馬，郭敏勤奮學習，最終于2007年以優(yōu)異的成績考入長春理工大學光電工程學院測控技術與儀器專業(yè)，在這里踏上了自己追光的旅程。

長春理工大學原名長春光學精密機械學院，1958年由中國科學院創(chuàng)辦，是新中國第一所培養(yǎng)光學專科人才的高等院校。大學二年級時，學校為了集中優(yōu)勢培養(yǎng)相關光學人才，成立了“王大珩科技創(chuàng)新實驗班”，郭敏有幸被選入其中。而正是在這段時間，郭敏打開了光學應用的大門。在導師的引領下，他開始將光學知識與生物醫(yī)學領域相結合，并堅定了在這一領域施展科研抱負的決心。

科研探索永無止境。為了學習更多相關領域的先進科研知識，本科畢業(yè)后，郭敏順利進入浙江大學光電科學與工程學院，進行測試計量技術及儀器專業(yè)的碩博連讀。在這一階段，郭敏將研究與生物醫(yī)學領域結合得更為緊密，在腫瘤的伽馬光子成像中進行了一系列算法探索。這期間，他還得到前往美國國立衛(wèi)生研究院生物醫(yī)學影像與生物工程所進行交流訪問的機會。在那里，他接觸到了光片顯微成像及圖像分析技術，和研究團隊成員共同搭建了首臺高數(shù)值孔徑的雙視角非對稱光片顯微系統(tǒng)，研制了熒光偏振成像的新型光片顯微系統(tǒng)，提出了線蟲胚胎圖像的數(shù)字化拉直理論和算法，為今后進行成像系統(tǒng)的開發(fā)積累了豐富的經(jīng)驗。

學也無涯而知也無涯。博士期間，郭敏在美國國立衛(wèi)生研究院生物醫(yī)學影像與生物工程所做的研究工作，受到了導師的極大青睞。為了讓自己的研究工作更有延續(xù)性，他決心再次前往那里從事博士后研究。在這一階段，他并沒有松懈對自己的要求，專心致力于高超分辨熒光顯微成像和顯微圖像快速處理技術的前沿探索，研制了首臺結構光照明全內(nèi)反射瞬時超分辨顯微鏡，能夠?qū)铙w生物樣品進行實時超分辨、高對比度成像，在光學成像于生物醫(yī)學領域的應用中，取得了一系列成果。在多年的海內(nèi)外科研錘煉中，郭敏的科研水平有了大幅度提升。

科研開拓——扎根活體生物樣品成像研究

人體是一個鮮活的生命體。與傳統(tǒng)的研究方法相比，活體成像可以非侵入式、直觀地觀測活體體內(nèi)腫瘤的生長、轉移、疾病的發(fā)展過程、基因的表達變化等生物學過程，對于后續(xù)疾病的治療起著關鍵作用。在美國國立衛(wèi)生研究院生物醫(yī)學影像與生物工程所工作期間，郭敏就對這一領域的問題極為關注。如何將光學成像與活體生物樣品成像相結合？對此他開展了一系列探索。

郭敏注意到：近些年來，隨著物理學、材料化學、電子科學、計算機等學科的發(fā)展，熒光顯微技術也有了日新月異的發(fā)展，在活體細胞的胞膜代謝活動研究中展現(xiàn)了良好的應用前景。然而，其成像的分辨率依然受到衍射極限的限制，難以解析更加精細的生物結構；而且，成像的速度也難以追蹤到高度動態(tài)的生命活動信息。如果通過相關技術提升熒光顯微鏡的成像技術，是否就能夠?qū)⑵涓玫刈饔糜诨铙w生物樣品成像呢？

為了攻克這一問題，郭敏作為主要完成人開始了漫漫科研攻關之路。功夫不負有心人，他和研究團隊最終成功研發(fā)了結構光照明的全內(nèi)反射瞬時超分辨成像技術，能夠在不損傷活體樣品的情況下，以100Hz的超速度進行實時超分辨、高對比度成像，是當時同類顯微鏡速度的約50倍，大大提升了生物醫(yī)學成像效率，為進一步進行生命科學研究打下了堅實的基礎。

生物醫(yī)學成像技術一直在不斷發(fā)展中，而郭敏所做的研究工作始終緊跟研究領域前沿。

近些年來，偏振成像技術作為一種新型的光學成像技術，可以實現(xiàn)抑制背景噪聲、提高探測距離、獲取目標細節(jié)特征和識別偽裝目標等功能。通過對熒光的偏振進行檢測和成像，科學家可以獲取靶向蛋白的結構取向和熒光能量共振轉移等生命活動相關信息。然而當前的偏振成像技術卻很少應用在活體樣品的三維成像上。

為了拓寬偏振成像技術的應用領域，郭敏和研究團隊共同研發(fā)出了七維成像技術（三維空間+三維取向+時間），首次實現(xiàn)了細胞和組織在高維復合空間的結構和取向的重構，并將其應用于對動、植物細胞和組織的高時空分辨率成像。隨著這一研究成果的問世，未來科學家可以利用相關技術，觀測到更加深層次的生命信息，并將其造福于相關疾病的治療。

科學研究是一場耐力賽。每一項科研工作，都由無數(shù)的節(jié)點組成，只要其中的一個環(huán)節(jié)沒有做好，很可能就會影響最終的結果。在郭敏的科研之路上，他也遇到過無數(shù)個難以攻克的科研節(jié)點，但在這一過程中，他卻從未想過放棄。多年來，他正是靠著這種持之以恒、攻堅克難的精神，在研究領域取得了一系列成績——所研發(fā)的新型顯微鏡和圖像處理技術在短時間內(nèi)就已被超過20家科研機構/實驗室采用，作為主要成像或圖像處理手段用于生物醫(yī)學研究，進一步產(chǎn)生的相關成果發(fā)表在《自然》《科學》等期刊上，并獲得2020年度顯微技術創(chuàng)新獎等榮譽。

不忘初心——將研究落地生根

在海外多年，郭敏在生物醫(yī)學成像領域所做的研究工作受到了領域內(nèi)學者的極大認可，這些成績也讓他在國內(nèi)外學界同仁中逐漸嶄露頭角。但走得再遠，他也未曾忘記為什么出發(fā)。在郭敏的心底里，科研報國的信念始終如一。2022年9月，暌違祖國多年的他最終回到了故土，到浙江大學光電科學與工程學院繼續(xù)自己的科研逐夢旅程。在他看來，現(xiàn)如今我國生物醫(yī)學成像領域的研究土壤愈加肥沃，在這里他可以繼續(xù)開拓創(chuàng)新，用自己所學造福于祖國的生物醫(yī)學事業(yè)。

回國后，郭敏的科研工作一直在有序的開展中。在積極組建科研團隊的同時，他也基于自己之前在生物醫(yī)學成像領域的研究基礎，對研究方向進行了相應的拓展。這一次，他將研究的關注點放在了大腦的神經(jīng)科學與腦科學研究上。

郭敏介紹說，在人類的大腦中，有約860億個神經(jīng)元，在大腦里面通過神經(jīng)突觸的連接形成神經(jīng)環(huán)路，執(zhí)行各種神經(jīng)功能。但是大腦到底是如何從最初的單個細胞分化并形成系統(tǒng)性的神經(jīng)結構和功能網(wǎng)絡的，仍然是科學界的未解之謎。而先進的觀測工具，或者說成像技術，也成為解開這一謎團的核心需求。

在這一背景下，針對光學成像領域在像差、速度、光損傷方面所面臨的挑戰(zhàn)和不足，郭敏將和團隊成員共同開發(fā)適于胚胎等活體大生物樣品的高分辨率顯微成像的方法和技術，為神經(jīng)結構的建立和功能形成的研究，探索快速、大尺度、低損傷的成像解決方案，為觀察小動物胚胎和神經(jīng)發(fā)育提供更加堅實的科學支撐。

科研之路任重而道遠，郭敏深知自己未來需要做的還有很多?！敖窈笪业难芯抗ぷ鲗⒁獜膬煞矫嬲归_。在技術層面，我希望團隊能夠通過研究提高醫(yī)學成像的觀測精度和維度；在應用層面，我希望能夠結合浙江大學醫(yī)學院及生命科學院的需求，將我們開發(fā)的生物醫(yī)學成像儀器進行轉化，使研究真正落地生根?！闭勂鹞磥淼囊?guī)劃，郭敏信心滿滿。科