院士专访 Ι 程和平: “戴着跑”的细胞级活体成像显微镜

2021
11/02

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       从上世纪至今,在生命科学和医学研究中,成像技术是科技进步的核心动力,生物医学发展的历程大半部是成像技术的发展史。人类陆续发明了包括X射线、全息照相法、CT计算机断层成像、核医学成像、电子显微等多种技术:在成像精度上,已实现细胞级、亚细胞级、甚至单分子级的成像;在观测对象上,无论是基于离体的切片、组织,还有在体的实时观察,在生物研究及临床应用上都已经展示了巨大的科研价值和应用意义。

       随着生命科学的发展,实现在活体动物上观察细胞和分子的活动过程,一直是成像技术研究者们的重要追求方向,而基于双光子的活体成像技术是公认的此方向具有巨大应用潜力的技术之一。

       双光子成像技术也是一种荧光成像技术,与单光子共聚焦技术相比,其主要是利用荧光物质的一种光学非线性现象——双光子吸收原理,能够同时吸收两个长波长的光子,发射出短波长的荧光信号。正由于其“长波激发、短波发射”和非线性光学焦点激发的特性,双光子成像具有三维空间层切效应和高生物组织穿透性:可以更清晰地观察断层,且成像深度是单光子成像的10倍以上,对活体细胞和组织光损伤小,光毒性低,尤其适用于活体及在体高分辨成像。

    “1992年,我很有幸使用世界上第二台双光子显微镜,首次实现了双光子心肌线粒体成像。在脑科学研究中,双光子显微镜是高端实验室必备的工具,当然其它前沿尖端的工具也是要必备的。如今,双光子荧光显微镜已成为最重要的显微镜成像技术之一。”

-- 程和平院士

     2013年,国家自然科学基金委员会启动了国家重大科研仪器研制项目:高时空分辨微型化双光子在体成像系统。北京大学程和平院士牵头的项目组经过3年的不懈努力,攻关成功:双光子显微镜实现微型化,核心部件只有拇指大小,仅重2.2克,是小鼠可以 “戴着跑”的显微镜,也是世界

上体积最小、重量最轻的高时空分辨双光子显微镜。

能“戴着跑”的显微镜

       2.2g微型化双光子显微镜可以在动物自然行为的条件下,实现对神经突触、神经元、神经网络等动态信息的长时程观察,不仅可以“看得见”大脑学习、记忆、决策、思维的过程,还将为可视化研究自闭症、阿尔茨海默病、癫痫等脑疾病的神经机制发挥重要作用。相关研究成果发表在2017年7月的NatureMethods上 [Nature Methods, 14(7):713—719],被《Nature Methods》评为“2018年度方法”。

2017年,经科技部评审,该项目技术入选“2017度中国科学十大进展”。

图为习近平主席在北京大学金光生命科学大楼同程和平院士亲切握手。  新华社记者姚大伟摄

       目前,程院士已带领项目团队,将技术成果转化至北京超维景生物科技有限公司,进行微型化双光子显微成像系统的产业化,不仅研发科研设备,同时扩展至医疗成像设备的开发。

图为使用超维景研发的双光子皮肤镜进行细胞级显微成像效果

       和义广业创新平台联合纳通科技集团的医疗器械合规部门,为超维景研发团队提供了基于ISO 13485和NMPA新法规下的医疗器械体系、注册咨询服务,助力其医疗成像设备的项目更快推进。

借此机会,小编采访到项目带头人程和平院士,请他深入解密这项革命性成像技术及成果转化之路。

1、和义广业:程院士您好,请问在2013年启动的重大科研仪器项目中,您为何定下微型化双光子这一攻坚方向?

程院士:我跟双光子成像的缘分是很早的。90年世界上第一台双光子显微镜在康奈尔大学由Denk和Webb发明。92年,我当时是马里兰大学的研究生,我们开车六个多小时,用世界上第二台(双光子)显微镜,拍了一个很经典的心肌细胞线粒体的照片,后来用在了很多教科书上。但那个时候的装备非常昂贵、非常娇气,我们实验室自己不可能再建一个。

早期斯坦福大学团队已经把微型化单光子已经做得很酷了,在2013年这个项目中,我就想,双光子技术有没有可能微型化?双光子技术比单光子技术有很多独特的优势。有个信科的本科生跟着我做了一个论文,探讨了基本的思路。后来有基金委的7200万大项目支持,整个北大跨学科团队,三年多的集体攻关,2016年底把原型机整体做出来了,2017年发表。发表之后,得到了领域里很多认可,包括当年科技部的“年度十大科技进展”,还有2018年Nature Methods的“年度方法”。

斯坦福的团队对这个工作也高度评价。我跟陈良怡老师当初去登门拜访时,他们说过,“Peace, impossible. You cannot do it.” 那时我们想的是实现15克的探头,他们觉得“150克还差不多,15克是不可能的”。最后我们做到2.2克,他们也是非常的兴奋。

我们充分认识到它对脑科学,甚至对医学、生命科学的重要作用,国家有契机,周围也有一群富有才华的青年学生,我们就在一起开始探索了。但探索有不确定性,当时我们心里谁也没底,国内国外的科学家一致不看好,基金委也天天问我说“全国人民都在看着你怎么交差”。

2、和义广业:我们了解到该项目成果得到包括2014年诺贝尔奖得主爱德华·莫泽(Edvard Moser)和梅-布莱特·莫泽(May-Britt Moser)教授在内许多神经生物学家高度评价,并且他们还特别定制了一台仪器用于脑科学研究。请问在脑科学研究中,微型化双光子最独特的优势是什么?

程院士:Moser实验室是最早送他的博后来我们这儿实地考察这个项目。那时文章还没有发表,我们只是在会上作了一个交流报告,他是闻风而动。(我们)第二天还是第三天就把图像拍过去,他自己看了不相信,说“怎么会这么好呢”。一个月之后,他亲自来考察,眼见为实,他信服了,说这是革命性的。后来我们的第一作者宗伟健去了他的实验室做博后,在他那儿现在已经搭了很多台,现在是欧盟玛丽•居里学者,很快要自立门户建独立的实验室。Moser实验室与Tobias Bonhoeffer实验室和我们合作的第一个工作也已经完成,用他自己的话来说,他非常看好这个技术给脑科学带来的革命性的影响。

那么,为什么有这样一个优势呢?微型化单光子成像很多实验室都在用,目前装机量超过1500台。但双光子成像有天然的光学断层的效果,就是一个厚的样本,它一层一层看得很清晰,焦面很薄,聚焦非常精准。你看它某一层,它上、下面的信号就都看不到,“信背比”/“信噪比”特别高,图像质量很清晰;而且还可以做三维扫描:在一个厚的样本中可以一层层的读出一个三维的图形,而不仅是一个叠加的、模糊的图形。

另外它的穿透深度深:单光子共聚焦大概能看百微米量级,双光子能看毫米量级。

看得深、信噪比好、分辨率高、图像质量高,可以三维成像——这些好处很多是单光子不能比拟的。台式双光子显微镜的装机量已超过4000台。

3、和义广业:国家“十四五规划”再次强调要突破高端医疗设备核心技术,并特别提到研制高端影像等大型医疗设备及关键零部件。请问在自研和国产化上,您团队主要做了哪些工作?

程院士:我们当初做原型机的时候,有一些部件还是依赖于国外的加工或购买。后来我们真的碰到“卡脖子”的问题,有些部件他只卖给单光子,你想用它就必须买单光子(设备);我们投资加工了首款920nm空心晶体光纤,后来再买的时候,厂家不仅不降价,还要提价。

所以我们这几年,把关键部件的上下游基本上构建了一个完整的布局。包括空心光纤,我们自己建拉丝塔;微透镜也是国外限制的,我们也解决了这个技术难关;我们自己也在特殊生物成像波段飞秒激光器及一些核心光学器件的加工方面开展自我攻关,基本实现自我特殊定制;我们也在积极牵引国内生产高速MEMS。目前的微型化双光子核心探头几乎可以实现100%国产化,这在国内的高端仪器制备上也是非常难得的,我们感到很欣慰。

值得一提的是,上述的各类核心器件和技术很多都是从光通讯、光纤激光加工等传统行业发展演化而来的。带动传统产业升级的同时,形成我国生物医学高端影像行业的新的产业集群,这一点也是我们一个新技术的发明对行业发展的另一层贡献。

4、和义广业:双光子显微技术在脑科学研究上已发挥了巨大应用优势,请问在医疗领域,您认为有哪些应用适合推向临床,主要的技术壁垒是什么?

程院士:实际上从双光子技术一诞生开始,就有临床方面的探索。从九十年代到现在,包括哈佛、法国、英国的一些科学家都在探索。就我理解,一方面是组织表面的观察,包括宫腔、胃、皮肤,通过测光谱,可以很清晰的看到有关代谢特征的变化,来进行代谢状况的判定。第二个方面,也是大家非常期待的,即能否在手术中识别变异的细胞或正常细胞,这样能即时地判断手术边界。第三是与内窥技术的结合,提供一个类似CT可三维断层扫描的,有高清晰度的,兼具结构图像、代谢和功能指标的一个新型技术手段。对于在体样本,或者切下后不用做处理(的样本)上,提供一个更好的活体病理诊断技术。

从微型化双光子的脑科学研究装备到临床使用的设备,实质上属于技术的降维,关键技术攻关是已经完成了的。主要的困难是,临床上我们追求无标记的自发荧光,这种信号来源要比脑科学的荧光信号低几个数量级,这就需要我们把整体光路设计、工程设计做到极致,才能获取足够满足医生需求的成像效果,目前我们已经实现了不错的成像能力,后续继续优化,预计还会有成像效果量级上的提升。

要建立医学标准,这是另一个关键点。大家都在探索,冲到这个门前了,尚未迈过门槛。这个门槛就是所说的“壁垒”:怎样找到一个金指标,来定义双光子在医学上带来的益处。硬件技术、软件技术其实都不成问题,主要是和医学家的结合。希望我们的团队结合国内的医疗团队,由中国人来临门一脚,跨过这个门槛,提出医学金指标。一个金指标突破后,便是一片蓝海 - 皮肤、代谢、检验、术中、癌症诊断,甚至心脏手术中的功能评价等等。再和内镜结合,它就是一个大的东西了。

要打破这个壁垒,我们和协和医院有一个宫腔镜的攻关项目,使用双光子显微镜,可靠的、无损无创的进行早期诊断。这是一个我觉得很有意义的,临床妇产科专家也非常兴奋的一个项目。我们也和中日医院崔院长他们,在病理科等多科室合作,把新的测量指标、新的观测手段跟医学的问题结合起来,在医生认可的基础上提出金指标。这个就是临门一脚,最核心的部分。

 5、和义广业:医疗器械属于特殊监管行业,成果转化必将遇到更多难题。请问在这个过程中,您团队遇到的最大难点是什么?

程院士:做科研仪器,我们的产品已经卖到德国、美国。而且,今年一整年苦修“内功“,新一代产品的工程化更加成熟了,我们有信心为全世界的科学家服务。但是医学转化,它确实是一个特殊行业,我们这个教授团队、师生团队就远远不够了。

新技术的应用和临床注册是一个挑战,国内主要的医疗器械还是进口替代类型,依葫芦画瓢相对容易,完全自主的把一个实验室技术转化为临床产品面临非常多的困难。比如使用双光子技术的临床产品在国内还没有一家注册,我们做的是第一个吃螃蟹的拓路者。

所以,我们就做了几方面举措。一个是在我们队伍建设当中,引入了非常有经验的行业团队,从管理、法规、质量体系等多个层面,和我们的专业团队进行互补、融合,促进我们医学产品的开发。第二个是我们的投资人——我们在和义广业的指导下,在准备一些医疗器械申报的工作,这里面也是有很多专业的学问的。我们是第一次,所以非常感谢和义广业跟我们一起,在这个过程中我们也学了很多,包括合规、以及医疗器械行业其他一些专业的知识。还有,与高水平的临床团队的合作,也是前沿技术应用与转化的一大助力。

6、和义广业:科技兴国,突破高端医疗设备核心技术,摆脱国外产品的垄断势在必行,相信会有更多科研学者投身产业界,您可以给大家分享一些心得经验吗?

程院士:我本人是学理科出身的,国家要建大仪器是大势所向,国家需求就变成我的专业,基金委要求我说:你要参加到大仪器工作当中去。在做的过程中,我感觉,把个人的能力、兴趣,跟国家的需求和当下的为社会的服务结合起来,这个价值是很不一样的。我以前也是写paper,现在我们团队,包括医疗器械的专业队伍,一起在国家最需要的时代,解决一些卡脖子的问题,一些国计民生和社会需求的问题,同时也为国家在医疗产业的竞争力上添砖加瓦,这个价值取向我是非常认同的。而且我们现在这个生态发育的非常不错,比如有和义广业这样的专业团队帮助我们,有医生和我们形成一个战略合作关系。

中国的技术与工程学有过历史的辉煌,中国是加工制造大国,很多方面我们有独特的优势。引领现代前沿医学技术创新,我们正当其时----就是看着挺难的,跳下去,认认真真做一个工作,一步一步做,也是没有那么难的。只要用做学问的精神,用创业的精神来推,还是很有底气的。从近现代史来看,工程技术的提升必将推动国家科学与医学的进步。功不唐捐,我们不要辜负这个时代,也要努力为这个时代做贡献。

       程和平,细胞生物学与生物物理学家,中国科学院院士,九三学社成员,北京大学未来技术学院教授,北京大学国家生物医学成像科学中心主任,北大-清华生命科学联合中心研究员,基金委“细胞钙信号研究”创新群体学术带头人,“多模态跨尺度生物医学成像设施”(“十三五”国家重大科技基础设施)首席科学家。



和义广业

记者: 晓柏,俞利平


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