光學(xué)成像技術(shù)點(diǎn)亮生物世界
——記南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院與生物醫(yī)學(xué)工程系合聘助理教授何思聰

鄭 心 蔡巧玉

在關(guān)于夏日的記憶中，總是少不了螢火蟲的身影。一到夜晚，它們常會(huì)聚集在小路邊、籬笆旁，星星點(diǎn)點(diǎn)閃爍著熒光。從遠(yuǎn)處看去，那些點(diǎn)點(diǎn)銀白的、靈動(dòng)的光在暗夜中飄浮，像是從天上灑下的點(diǎn)點(diǎn)繁星。如此美輪美奐的場(chǎng)景不僅具有極高的欣賞價(jià)值，事實(shí)上，它對(duì)于促進(jìn)生物學(xué)與光學(xué)的結(jié)合研究也大有助益，生物光學(xué)學(xué)科也由此誕生。何思聰從博士階段起便專攻光學(xué)學(xué)科中光學(xué)顯微成像技術(shù)的開發(fā)及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的交叉方向，加入南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院與生物醫(yī)學(xué)工程系后，他致力于開發(fā)具有高時(shí)空分辨率、大穿透深度、低光毒性特點(diǎn)的新型熒光顯微成像技術(shù)，通過可視化方式研究活體生物組織中的動(dòng)態(tài)生物過程?！吧锕鈱W(xué)是一門由生命科學(xué)和物理學(xué)交叉融合形成的新興學(xué)科，其主要的研究對(duì)象是生物體中物質(zhì)與光的相互作用。它旨在開發(fā)光學(xué)和光子學(xué)技術(shù)，以增進(jìn)對(duì)生物體內(nèi)結(jié)構(gòu)、功能和動(dòng)態(tài)過程的理解。也正因如此，生物光學(xué)也是一門激動(dòng)人心且極具挑戰(zhàn)性的學(xué)科，值得我們?yōu)橥诰蛐轮３纸K生學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣，以最大限度地發(fā)動(dòng)學(xué)科交叉的創(chuàng)新引擎，利用光學(xué)技術(shù)來研究生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的前沿科學(xué)問題。”他說。

逐“光”而行的“心”動(dòng)力

何思聰（左四）團(tuán)隊(duì)合影

依江納湖、水韻天成，談及何思聰與光學(xué)結(jié)緣的開端，必繞不過兼納浩蕩學(xué)風(fēng)與江南靈秀之氣的浙江大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“浙大”）。2008年是何思聰高考逐夢(mèng)的年頭，也恰逢浙大開始全面推行“大類招生”的培養(yǎng)方案。值得一提的是，這種面向“通才教育”的改革手法突破了學(xué)科界限，鼓勵(lì)學(xué)生交叉學(xué)習(xí)，給了尚未擇定發(fā)展方向的學(xué)生一個(gè)“三省吾身”、厘清志趣的緩沖機(jī)遇，何思聰也是這種模式的受益者之一。由于大學(xué)二年級(jí)才開始細(xì)分專業(yè)，因此在入校的第一年里，他可以恣意在“大工程”的學(xué)海中逐風(fēng)挽浪。但其實(shí)他的目光始終被光電信息工程學(xué)所吸引，“浙大光電學(xué)院是我國光學(xué)工程學(xué)科的誕生地，而光電學(xué)科是學(xué)校最具影響力的優(yōu)勢(shì)學(xué)科之一”，何思聰自此揭開了與光電信息、光學(xué)成像技術(shù)息息相關(guān)的人生新篇。

從浙江到香港，從西子湖畔到維多利亞港灣，何思聰捧著《幾何光學(xué)》《物理光學(xué)》等專業(yè)書籍走過了求學(xué)的數(shù)年光陰。盡管初至香港科技大學(xué)電子及計(jì)算機(jī)系時(shí)，他之于學(xué)科交叉、融合研究還是一張白紙，因沒有生物相關(guān)的學(xué)術(shù)背景而一度在課題開展中束手，但涓涓不壅、終為江河，在導(dǎo)師瞿佳男教授的諄諄教誨與悉心指導(dǎo)下，他沒有忽視任何一次積累經(jīng)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，尤其認(rèn)識(shí)到了與前輩生物學(xué)家的頻繁交流非常重要?！白鳛橐粋€(gè)具有光學(xué)研究背景的研究人員，需要跳出自己的慣性思維圈，主動(dòng)了解生物領(lǐng)域的研究問題和需求，并思考如何將光學(xué)應(yīng)用其中。而香港科技大學(xué)校園里各個(gè)不同專業(yè)院系的實(shí)驗(yàn)室都在同一棟學(xué)術(shù)大樓里，各領(lǐng)域?qū)＜叶荚谕粋€(gè)屋檐下工作，無形中給跨學(xué)科交流合作創(chuàng)造了很便利的條件，我也因此受惠?！焙嗡悸斦f。

在研究方面，何思聰也同樣步履不停。在伏案耕耘的日日夜夜中，他最終收獲于仲夏——在博士后研究工作結(jié)束之際，他為“活體生物深層組織高分辨成像技術(shù)研究”“活體單細(xì)胞熒光標(biāo)記與示蹤成像技術(shù)研究”兩項(xiàng)課題研究交上了完滿答卷。前者針對(duì)光學(xué)顯微成像在生物組織中應(yīng)用的關(guān)鍵問題布局謀篇，著重解決由于生物組織中結(jié)構(gòu)成分復(fù)雜，光線在穿透生物組織過程中會(huì)出現(xiàn)波前畸變，導(dǎo)致成像效果不理想等難點(diǎn)，他們嘗試?yán)貌ㄇ罢涡Ｕ鈱W(xué)像差，以提升成像深度和分辨率為目標(biāo)全力攻關(guān)。而后者則著重在細(xì)胞的異質(zhì)性認(rèn)知上實(shí)現(xiàn)質(zhì)變。

“為了在深層生物組織中實(shí)現(xiàn)高分辨率熒光成像，我們開發(fā)了自適應(yīng)光學(xué)多光子熒光成像技術(shù)（AO-TPEFM）?！焙嗡悸斀榻B道。這一技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是可在無創(chuàng)或微創(chuàng)條件下，穿透復(fù)雜的生物組織，獲得細(xì)胞結(jié)構(gòu)的高分辨率熒光圖像。原因在于，何思聰團(tuán)隊(duì)巧妙運(yùn)用多光子熒光激發(fā)了儀器固有的三維光學(xué)切片能力。“我們自行組裝了一個(gè)超高靈敏度的波前探測(cè)器用以高效收集熒光作為導(dǎo)引星信號(hào)，據(jù)此測(cè)算出樣本像差所引入的光波前畸變信息，然后將計(jì)算得到的光學(xué)像差值即時(shí)傳遞給一套高精度變形鏡系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)波前整形，同時(shí)采用閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)對(duì)殘留像差進(jìn)行快速迭代校正。此技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)活體生物組織像差的精確測(cè)量和快速動(dòng)態(tài)校正，從而提高深層組織成像的分辨率和對(duì)比度?！北M管研究已經(jīng)完成了一段時(shí)間，但其中細(xì)節(jié)對(duì)何思聰而言卻是記憶猶新。

此外，細(xì)胞的異質(zhì)性研究一直是生物學(xué)領(lǐng)域的重大需求，對(duì)于全面了解特定細(xì)胞類型的個(gè)體發(fā)育、動(dòng)力學(xué)和功能的復(fù)雜性至關(guān)重要。成像技術(shù)的精進(jìn)使人類能夠清楚地觀察到生物體內(nèi)的細(xì)胞活動(dòng)和生物過程，再加上可在生物體內(nèi)長(zhǎng)期追蹤觀測(cè)同一個(gè)細(xì)胞及其子代活動(dòng)特點(diǎn)的單細(xì)胞標(biāo)記技術(shù)的加持，無疑為展開細(xì)胞行為/發(fā)育/功能方面的異質(zhì)性研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

談起“單細(xì)胞光學(xué)標(biāo)記與示蹤成像技術(shù)”，何思聰則相應(yīng)提到了與香港科技大學(xué)溫子龍教授課題組合作的相關(guān)項(xiàng)目。他們?cè)孟冗M(jìn)的光學(xué)顯微成像技術(shù)、光譜學(xué)分析及基因改造工具，開發(fā)了一種新型的紅外激光熱激單細(xì)胞標(biāo)記示蹤技術(shù)——single-cell IR-LEGO。這項(xiàng)技術(shù)的重要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于可利用紅外激光對(duì)攜帶有熱激啟動(dòng)報(bào)告基因的細(xì)胞進(jìn)行適當(dāng)加熱，并誘導(dǎo)其發(fā)光，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)細(xì)胞及其所有后代進(jìn)行熒光標(biāo)記，方便后續(xù)長(zhǎng)時(shí)程追蹤細(xì)胞后代活動(dòng)，記錄下持續(xù)、詳細(xì)的活動(dòng)數(shù)據(jù)。何思聰說：“精準(zhǔn)的單細(xì)胞熒光標(biāo)記結(jié)合高分辨顯微成像技術(shù)，為我們直觀地理解生物體內(nèi)每個(gè)細(xì)胞的行為特點(diǎn)打開了大門?！?/p>

成像新工具助力疾病研究

毋庸置疑，無論在生物還是醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，科學(xué)工作者都期盼能隨時(shí)擁有一張直觀、清晰的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)圖像，用以分析細(xì)胞或生物體特定區(qū)域的特征及狀態(tài)，甚至是特定分子的表達(dá)、分布等信息。今天的生物光學(xué)成像憑借其檢測(cè)儀器發(fā)展成熟、靈敏度和分辨率較高，以及成像速度快等優(yōu)點(diǎn)走入了大眾視野，它的出現(xiàn)對(duì)過去一些“疑難雜癥”的新型診療手段開發(fā)有著重要的實(shí)踐意義。但在因人而異的病變機(jī)理與臨床表現(xiàn)面前，生物光學(xué)仍然存在廣闊的提升空間。這也是何思聰之所以加入南方科技大學(xué)賡續(xù)研究的根本動(dòng)力。

“在香港時(shí)，我就了解到南方科技大學(xué)的創(chuàng)校精神是‘敢闖敢試、求真務(wù)實(shí)、改革創(chuàng)新、追求卓越’，生命科學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)張明杰院士非常希望能夠‘集眾學(xué)科之長(zhǎng)’，建設(shè)有特色的學(xué)科體系，以全新的模式發(fā)展生命科學(xué)學(xué)院。很明顯，現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)研究正走在大數(shù)據(jù)化、定量化、多尺度多模態(tài)的康莊大道上，因此我認(rèn)為自己過去所學(xué)與學(xué)院所需還是有比較高的契合度的，并且我十分認(rèn)可張?jiān)菏刻岢龅陌l(fā)展方向?！币慌募春现拢@位青年學(xué)者便于2020年毅然加入隊(duì)伍之中，而他的研究就如同新生的生命科學(xué)學(xué)院一般，雖須從零開始，但也蘊(yùn)含無限希望。

采買儀器、廣納賢才、兼顧研究、搭筑平臺(tái)……這些看似細(xì)碎繁瑣的事情在過去幾年里一直占據(jù)著何思聰?shù)纳睿珗?jiān)持的力量也往往形成于這些波瀾不驚的歲月之中。當(dāng)下，經(jīng)過點(diǎn)滴沉淀與求索實(shí)踐，何思聰對(duì)未來的工作方向萌生了更為縝密、清晰的思考?！拔艺J(rèn)為，今天的生物醫(yī)學(xué)研究若要取得突破，開發(fā)跨尺度、多模態(tài)的高分辨成像技術(shù)工具非常關(guān)鍵。因此，我在南科大實(shí)驗(yàn)室致力攻關(guān)的目標(biāo)就在于開發(fā)可以廣泛適用于活體組織成像的高分辨率、大穿透深度的光學(xué)顯微鏡；同時(shí)結(jié)合人工智能和圖像處理等其他技術(shù)，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的多維度分析。我們希望通過開發(fā)前沿的成像技術(shù)和科研設(shè)備，幫助生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究人員解決重大科學(xué)問題?！?/p>

時(shí)光前行不舍晝夜，連接起過去和未來，也鐫刻下團(tuán)結(jié)奮斗的足跡?；厥鬃蛉?，只身踏入南方科技大學(xué)的情景仍然清晰；立足當(dāng)下，在生物光學(xué)成像實(shí)驗(yàn)室中與每一位勤學(xué)篤思的伙伴協(xié)同攻關(guān)的日子足以令何思聰感到十足幸福?！白盍钗因湴恋木褪沁@支‘臥虎藏龍’、包含著物理、生物、電子、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科專業(yè)背景人才的交叉研究團(tuán)隊(duì)。科研從來不能只靠一人之力，未來，也歡迎有光學(xué)、生物、儀器科學(xué)等專業(yè)背景的青年學(xué)者加入我們的團(tuán)隊(duì)，和我們一起用光學(xué)技術(shù)探索生命的奧秘?！焙嗡悸斦f道。