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匡翠方:让国产高端光学显微镜走向世界

2023-05-28    阅读 454   来源:天下匡裔网  作者:   

匡翠方(右1)及项目主要成员
2018年,世界卫生组织公布数据显示,全球有1810万癌症患者,其中960万人死于癌症。而在我国,几乎平均每分钟就有7.5人被确诊为癌症患者,每分钟有4.5人被癌症夺去宝贵的生命。在2020年的2月4日,世界癌症日之际,世卫组织更是发出警告,如按目前趋势继续下去,未来20年,全球癌症病例将增加60%。

这一连串的数字,让人震惊之余更感心痛。为什么会有这样的情况发生?癌症的机理是什么?如何准确地去诊疗癌症?在回答这些问题前,人类首先要明白癌症细胞的生长演变过程,清楚癌症细胞中蛋白质等微细的结构。但细胞生命活动的众多反应都发生在各细胞器中(如基因的转录、蛋白的合成与运输、物质的交换等),其尺度均在纳米量级。因此,纳米尺度超高分辨率显微镜成为细胞观测的重要工具。它的研发将有力地促进疾病的诊断、疗效的监测、新药物的开发等。

在各种类型的显微镜中,电子显微镜和原子显微镜虽拥有超高分辨率,但它们都有一个最大的缺点——难以进行活体细胞的观测。传统的光学显微镜虽然可以克服这个缺点,但在应用方面存在着诸多限制,例如样品普适性差、分辨率偏低、信息维度单一等。这些难以逾越的障碍就像魔咒一样束缚了科学家的思维。为了破解魔咒,他们不断地努力着,浙江大学光电科学与工程学院教授匡翠方正是其中之一。

推动高端光学显微镜产业化发展

白驹过隙,弹指一挥间,2020年已是匡翠方来到浙江大学的第11个年头了。翻看他的履历,似乎与“浙江”并没有多大关联:2007年,获得北京交通大学物理系博士学位;2008年,在北京理工大学光电系完成博士后研究工作;同年,远赴美国南卡罗莱纳大学(University of South Carolina)进一步深造,2010年完成该校机械工程系博士后研究工作。当被问到为何在回国后直接选择了浙江大学时,匡翠方解释道:“在国内各高校和科研院所中,浙江大学在光学工程研究方面一直都处于领先水平,有优秀的实验研究环境,非常关注超分辨率成像的研究,并对超分辨率成像团队提供了极大的支持。当时浙大的刘旭老师已经开始着手相关研究,急需相关人才,便向学院领导推荐了我。再加上我的妻子也在浙江工作。不论对于工作还是家庭,来浙江大学都是一个很好的选择。”

匡翠方主要从事的是超分辨成像方面的研究。在这11年里,他先后参与和主持了浙江大学“紫金计划”项目、现代光学仪器国家重点实验室自立项项目“基于微纳结构受激发射损耗超分辨率荧光显微方法”,教育部博士点基金“基于点扩散函数工程的超分辨荧光显微方法的研究”,国家原“973”基础研究子课题、国家自然基金重点项目子课题、科技部重大仪器专项课题等多个项目,以第一发明人授权发明专利50多项,以第一作者或通讯作者发表论文120多篇,并获得浙江省“新世纪151人才工程”第二层次培养人员、中国光学学会首届中国光学科技奖应用成果类一等奖、国家技术发明奖二等奖等多项荣誉。

面对这些丰硕的成果,匡翠方在欣喜之余也表达了深深的担忧:“我们的光学超分辨显微成像研究技术与国外的差距在逐渐缩小,但在实际产业化方面仍然比较落后。虽然我国每年显微镜产量超过300万,其中超过一半用于出口,在全球显微镜市场中占有一席之地,但这些产品主要集中在中低端,在利润方面远不及高端显微镜产品。由于受行业技术水平限制,国内具备生产高端显微镜的企业屈指可数,因此我国高端显微镜差不多90%都依赖于进口。”

事实上,高端光学显微镜的市场前景非常广阔。Grand View Research发布全球显微镜市场研究报告显示,到2020年全球显微镜市场容量预计将达到95.4亿美元。随着科技发展和人们生活水平的提高,高端光学显微镜会更广泛地应用于实验室和医疗检测等方面。而世界高端显微镜的产业主要布局在德国和日本。德国以蔡司(Zeiss)和徕卡(Leica)公司为代表,日本以尼康(Nikon)和奥林巴斯(Olympus)公司为代表,业内称之为“四大家”。这四家都是所在国家的支柱企业,也是百年老店,它们占据着世界显微镜市场50%以上的市场份额,其发展战略左右着显微镜市场的走向。

“目前中国所有三甲医院所使用的高端光学显微镜几乎都来自四大家,近年来共聚焦扫描和超分辨显微镜在中国市场的增长更是超过20%,对中国企业而言,如果能够制造出高性能、高可靠性的高端光学显微镜,无疑会迎来极大的市场机遇,并完成升级,进入世界精密仪器制造第一方阵,推动我国精密光学元器件制造、光学材料、精密加工等行业的发展。”匡翠方表示,在国内,有能力且开始生产高端显微镜的厂家主要是永新光学、舜宇股份、麦克奥迪等企业。近年来,这些企业都在加大研发力度,加速追赶步伐。

为了更好地实现高端光学显微镜的产业化发展,匡翠方与永新光学合作开展了单分子荧光探测、荧光漂白及光切片成像技术方面的研究。匡翠方以单分子荧光探测为例,向记者解释道:“传统的分子和细胞生物学技术已经比较深入地阐明了生物分子的构成及其所扮演的角色,但是单个分子的活动却被平均化而观察不到。全内反射荧光显微技术利用全内反射产生的倏逝波对样品表面薄层进行观察,而不受细胞深层区域信号的干扰,具有其他荧光成像技术无法比拟的高信噪比。对生物样本损伤小,可实现对单个荧光分子的直接探测。尤其对需要研究细胞表面科学如生物化学动力学、单分子动力学等方向的研究十分有效。”

基于该课题,项目所开发的高性能荧光显微成像技术采用了结合多角度环全内反射荧光显微技术(Ring-TIRF)、光切片荧光显微系统(Light-sheet)技术以及定点照明技术(FRAP)为一体的高分辨显微成像仪。利用全反射显微技术,通过倏逝波照明,根据倏逝波光强在全反射面处呈指数形式衰减的特性,荧光样品只会在全反射面附近被激发,实现了样品贴壁层纵向200nm分辨率的照明成像;利用光切片成像横向照明技术,照明光被聚焦成一个薄层照亮样品,进一步提高显微系统的轴向分辨率,同时利用其层扫描技术可以实现Z轴扫描,实现层析成像;利用FRAP定点照明技术,利用扫描振镜与反馈矫正技术实现系统的精准定位,通过软件控制进行位置选取与照明。

由此项目开发出的高分辨荧光显微成像仪将光机电算一体化,可以实现光切片成像、动态成像、荧光标记与共定位、三维空间还原、定量或半定量分析、单分子荧光探测、荧光漂白后恢复(FRAP)等技术,为生命科学领域研究提供帮助;而由此产生的共性化技术将带动环境、资源、农业、医疗、卫生、健康、食品、农产品、水产品等一大批应用领域的专用仪器的开发,推动国产激光器、光谱仪、探测器等器件与技术的进步。

逐一击破光学超分辨技术难点

“工欲善其事,必先利其器”。在国家加快培育战略性新兴产业、壮大经济发展新动能的当下,光学显微镜对于新材料、生物等新兴产业的发展具有影响创新能力的基础性地位。然而对于大部分光学显微镜用户而言,现有的光学超分辨技术缺乏全面反映样品生命活动的能力,在解决目前生命科学领域重大问题方面所做出的贡献依然甚微。作为研究或检测平台的超高分辨率显微系统的研制和发展,将极大促进生物、医学、材料等领域的原始创新,利于我国相关学科占领相应科学研究的制高点。

“在生物学研究中,科学家们常常利用能发射荧光的荧光分子作为生物标记。将这种荧光分子通过化学方法挂在其他不可见的分子上,原来不可见的部分就变得可见了。生物学家一直利用这种标记方法,把原本透明的细胞或细胞器从黑暗的显微镜视场中‘揪出来’。例如绿色荧光蛋白在蓝色波长范围的光线激发下,会发出绿色荧光,可以标识生物体内蛋白质的位置。在进行生物医学研究时,除了观测细胞微观结构的空间特性外,时间特性也是记录和分析细胞生命活动、蛋白质功能分析和药物疗效评估等的重要手段。对于具有荧光标识的样品而言,反映样品时间特性的参量是荧光寿命。”匡翠方说,荧光寿命可以反映细胞生命活动的环境参量,例如环境PH值、离子浓度、含氧量等,同时也是区分荧光蛋白分子、反映荧光蛋白分子动力学特征的重要参数,在细胞生物学等领域中具有广泛应用。

为此,匡翠方带领团队开展了“基于非线性焦斑调制及k空间虚拟波矢解调的超分辨显微成像系统”项目的研究,该项目旨在前期研究的基础上,成熟运用空间相位调制技术、非线性饱和焦斑激发技术和并行时空探测技术,研究基于非线性焦斑调制及k空间虚拟波矢解调的三维超高分辨显微成像技术和系统,使系统对荧光样品没有特殊要求,分辨率约提高至λ/12,且荧光寿命成像速度至少上升一个数量级,并最终研制出具有自主知识产权、对样品高度普适、高速调制与探测时空信息的多色超分辨显微仪器。匡翠方和他的团队成员希望通过该项目的研究,实现课题组自己研制的仪器在生物医学研究中得到验证与广泛应用。这不仅可以进一步促进光学超分辨显微技术的发展和完善,而且可以提升我国在该领域仪器及技术的话语权。目前项目正在井然有序的开展当中,围绕研制具有自主知识产权的高端显微成像仪器这一共同目标,课题组成员在不辞辛苦地日夜奋战。

匡翠方还积极参与到刘旭教授的课题项目“并行纳米光场调控荧光辐射微分三维超分辨成像系统”的研究中。该项目以囊泡运输过程的监控研究为侧重点,从而开发出一种具有长时程、实时、三维纳米尺度分辨本领的活体细胞显微成像方法与仪器。

“千磨万击还坚劲,任尔东西南北风。”不断进行光学超分辨技术的科研探索,研发出国产高端光学显微仪器,一直是匡翠方作为科研工作者的初衷。纵然这条道路注定荆棘密布,他也定将永不止步。“我有一个心愿,那就是让我们的高端光学显微镜走向世界。”匡翠方说。

专家简介

匡翠方,浙江大学教授,博士生导师。现为美国光学协会(OSA)会员,Optics Express、Optics Letters等杂志的审稿人。主持或参与基金委重大仪器专项基金、科技部原“973”项目、科技部重大仪器研发项目;浙江省杰出青年基金,浙江151人才基金、自然基金重点项目、面上、青年等国内外研究项目10多项,2020年主持浙江省之江实验室重大装置项目。

以第一/通讯作者发表SCI文章论文120多篇,影响因子大于3的有30多篇,包括Nature communications、Physical Reviews Letter、Optica、Optics Letters、Optics Express、Applied Optics等,围绕显微超分辨显微成像应邀为Light: Science & Applications、ACS nano,Laser & Photonics Reviews撰写可见光超分辨成像综述3篇。

参加OSA、SPIE等国际/国内会议邀请报告约20次,以第一发明人申请发明专利90多项,已授权50多项。获得2019年国家科学技术发明奖二等奖;2019年度王大珩光学奖-中青年科技人员光学奖,2018年首届中国光学科技奖评选应用成果类一等奖;2018年宁波市科学技术进步奖三等奖。近年工作围绕着超分辨显微信息的调控(照明调控)、超分辨信息的获取(新型显微系统)和超分辨信息的解调(图像重构)3个方面展开。

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