Seminar课程

生物医学光学 / 光电工程学院 / 彭晓

 课 程 背 景 

一 生物医学光学概念

生物医学光学(Biomedical Photonics)作为光学与生命科学互相交叉的学科新分支,涉及生物(包括人体组织)系统以光子形式释放的能量与来自生物系统的光子探测过程,以及这些光子所携带的有关生物系统的结构与功能信息,还包括利用光子的能量对生物系统进行的加工与改造等方面。

生物医学光子学

可划分为生物光子学和医学光子学两个相对独立的部分,但它们各自的领域存在互相重叠的范围,二者区分主要在于光子学及其技术的具体应用对象不同。生物光子学主要研究分子水平上的细胞结构与功能,包括生物系统的光子辐射以及这些光子携带的信息,用光子及其技术对生物系统进行检测、加工和改造等等;而医学光子学的研究对象为人体及其器官和组织。通过检测组织与血液参数探索组织结构与功能的变化,进而实现宏观和微观水平疾病无损探测、诊断和治疗,包括组织光学、医学光谱术、医学成像术、以及光诊断与光治疗技术及其作用机理的研究等。

生物医学光子学的学科发展及其研究成果对生命科学有重要且积极的意义,将为解决长期困扰人类的疑难顽疾如心血管疾病和癌症的早期诊治提供可能性。

二 生物医学光学的发展历史及重要性

光学显微镜的发明对其后几百年直到今天的生物学以及生物医学的研究起到了巨大的推动作用,可以说没有显微镜的发明就没有现代生物学和现代医学的产生。我们对器官、组织、细胞、细胞器以致细胞内分子的认识就是在光学显微技术逐步发展的基础上逐层递进的。

随着光学显微镜、切片技术及染色方法的不断改进与充实,推进组织学的继续发展,陆续制成相差显微镜、偏光显微镜、暗视野显微镜、荧光显微镜、紫外光显微镜等特殊显微镜,并用之于组织学研究;与此同时,组织化学、组织培养、放射自显影等技术也逐渐建立和完善并广泛应用,组织学研究更趋深入,资料日益丰富。随着电子显微镜的问世并不断改进,至今已广泛用于观察细胞和组织的微细结构及其不同状态下的变化,使人类对生命现象结构基础的认识深入到更微细的境界。近年来超分辨荧光显微术的发展使光学无损探测到达纳米测度。利用光与生命物质相互作用产生的效应,可获取生命体不同层次的结构和功能信息。生物医学光子学技术具有许多突出的优点,如特异性好、灵敏度高、高的空间和高的时间分辨率,以及能实现在体无损伤的实时检测等优点,因此成为2l世纪最活跃的研究领域之一。

在此我们简要回顾一下生物医学光学中的一些里程碑式的研究:

 

三 生物医学光学及生物光子学的发展现状

光学在生命科学中的应用, 经历了一个缓慢的发展阶段后, 由于激光和新颖的光子技术的介入, 进入了一个迅速发展的新阶段。当前, 发达国家普遍对生物医学光子学学科给予了高度重视。例如, 在美国国家卫生研究院(NIH 成立的国家生物医学影像与生物工程研究所(NIBIB)中, 生物医学光子学也成为其主要资助的领域。在学术交流活动方面, 国际光学界规模最大西部光子学会议(Photonics West , 每年的4 个大分会之一即是生物医学光学会议(BiOS, 论文均超过大会总数的1/3, 且关于BiOS 的专题数量逐年上升,所占百分比的急剧上升显示了这领域研究状态非常活跃, 以及各分支学科交叉后新领域不断涌现。

除了疾病早期诊断、生理参数监测外, 在基因表达、蛋白质-蛋白质相互作用、新药研发和药效评价等研究中, 特别是近年来的Science, Nature, Proceedings of the National Academy of Science 等国际权威刊物发表的论文表明, 光子学技术也正在发挥至关重要的作用。在某些领域, 如眼科, 光学和激光技术已成熟地应用于临床实践。光学技术还为生物学研究提供了新的手段, 如人体内部造影、测量、分析和处理等共焦激光扫描显微镜能将详细的生物结构的三维图像展现出来, 在亚细胞层次监测化学组成和蛋白质相互作用空间和时间特征。许多生物医学光子学技术已经在临床上应用于早期疾病监测或生理参量的测量。

近些年,在国家自然科学基金、省部级基金以及其他基金项目的资助下, 我国在生物医学光子学的研究中取得了很大的进展, 尤其是2000 年第152 次主题为生物医学光子学与医学成像若干前沿问题、第217 次主题为生物分子光子学的香山会议后, 有许多学校和科研单位开展了生物医学光子学的研究工作, 并初步建成了几个具有代表性的、具有自己研究特色和明确科研方向的研究机构或实验室, 并在生物医学光学成像(如optical coherence tomography, 简称OCT, 光声光谱成像, 双光子激发荧光成像, 二次谐波成像, 光学层析成像等)、组织光学理论及光子医学诊断、分子光子学(包括成像与分析)、生物医学光谱、X 射线相衬成像、光学功能成像、认知光学成像、PDT 光剂量学、高时空谱探测技术及仪器研究等方面取得了显著的研究成果。

在课程建设方面,国际上一些著名高校纷纷开设了与生物医学光子学相关的课程,并开展了生物医学光子学教学体系建设。哈佛大学、麻省理工、加州大学等都把生物医学光子学作为生物医学工程专业的重要组成部分。国内生物医学光子学的研究主要集中福建师范大学、华中科技大学、华南理工大学、清华大学、 华南师范大学、东南大学、天津大学和西安交通大学等高校,近年来均获得了蓬勃发展。

四 我校生物医学光学的发展

深圳大学光电工程学院是在光电子学研究所基础上建立的一个教学科研并重型学院,在院所创始人牛憨笨院士的带领下,我院建立了围绕光电与测控领域的完整学科群。我们对生物医学光子学学科的建设高度重视。光电实验总建筑面积8200平方米,设施先进、功能完善、配套齐全、专业化水准高,其中有1200平方米的百级、千级和万级净化实验室。拥有150余台套,总价值近亿元的先进教学和科研仪器设备,建立了显微测量、光谱分析、超快诊断技术、材料分析及器件性能测试、生物光子学、显示测试、应用光学、电信号测量等测试分析实验室和专业实验室;并先后建成广东省光电子器件与系统重点实验室光电子器件与系统教育部重点实验室(深圳大学)国家高技术863光电诊断技术重点实验室深圳市生物医学光学微纳检测与成像重点实验室

深圳大学光电工程学院生物光子学课题组研究方向主要利用新型光学成像/谱检测的技术和手段,实现对活细胞或活体动物生命过程可视化的研究,从而为理解生命活动提供直观、精细、实时、动态的信息。该研究方向在牛憨笨院士的带领下主要分三大学术思路:活细胞成像、活体动物成像及生化参量检测。在超分辨成像、荧光寿命成像、反斯托克斯拉曼散射显微成像、活动物在体成像、新型荧光探针的研发等方向都取得了长足的进展。近年来承担了多项国家及省、市级科研项目,包括科技部973课题、科技部重大仪器专项课题和国家自然科学基金重点项目等项目。发表了多篇研究论文,申请及授权了多项发明专利。多次参加国内国际学术会议及发表特邀报告。

与此同时,我们积极开展对外交流与合作。为了促进生物医学光子学的发展,扩大生物学、医学和物理学等领域的学术交流,2006年由深圳大学光电子学研究所和德国柏林Becker&Hickl GmbH发起,每年或者每两年在深圳大学联合举办生物医学光学方法高级研讨会,研讨会由来自国内外生物医学和物理学领域的专家介绍光谱学和成像技术的最新进展,及其在生物医学领域的最新应用。如2016年深圳大学光电子学研究所承办了第七届国际生物医学光学方法高级研讨会。会议主题包括:荧光寿命成像显微技术、多光子显微技术、荧光共振能量转移、组织自体荧光、荧光关联谱、光学分子成像、扩散光学层析成像、光学相干层析、表面等离子体共振、光声层析成像以及相干反斯托克斯拉曼散射成像及其在生物医学领域的应用。包括德国、英国、美国、加拿大、澳大利亚、台湾和香港地区在内的30多位中外知名学者做了专题报告。

我们还与国内外许多高校密切联系,包括美国纽约州立大学布法罗分校,美国克莱姆森大学Clemson University,美国加州大学旧金山分校,天津大学,浙江大学,华中科技大学,华南师范大学等,在生物医学光学领域展开了深入合作。

我们还以聘请客座教授的形式加强我们这一领域的师资力量,譬如美国纽约州立大学布法罗分校的P.N.Prasad教授、英国国王学院Klaus Suhling教授、德国斯图加特大学应用光学研究所的Giancarlo Perdrini教授等。此外,我们多次邀请国外有经验的教授来校进行系列讲座,介绍本领域的前沿发展,进行学术交流。本专业的老师和学生都能在这样的交流中收获良多。

在屈军乐教授的带领及多位年轻老师的积极参与下,《生物医学光子学》课程建设从无到有,从零散到系统,并正逐步走向成熟。结合本学科的发展现状和趋势,以及近年来的研究热点,本课程重点探究以下几个课题:

1)超分辨成像及应用

2)非线性多模态成像及应用

3)荧光寿命成像及应用

4)其它生物光子学新技术

5)新型纳米材料研究及生物应用

在本课程教学方面,我们已经结合生物医学光学的教学实践,从教材及参考书选择、教学内容和形式更新、课件制作、考核形式等多方面进行了实践与探索,围绕相关学术前沿问题及相关的科研课题组织教学,同时让学生们结合相应课题,通过文献调研、实验设计及资料分析等多种手段,探讨分析问题和解决问题的途径和方法,撰写研究报告,并通过口头报告形式进行汇报,提倡学生们积极提问和讨论,在教学实践中培养学生文献阅读能力、科研思维能力、科研实践能力以及创新意识。 

今年,本课程有幸入选为深圳大学研究生院seminar课程之一,也是学校对本课程的肯定。我们相信,在研究生院的详细指导下,在全体师生共同努力下,一定能把本课程做成开放互动、教学相长的新型研究生课程,达到预期的教学效果。

参考:

1.  http://baike.baidu.com/link?url=OKsDAEjfjp38Hpbn_yloq0TexzvTr1D1sqf1snhIs80iJYdWXPj1xeiNBa21SnWudjf_9ZV57R1xa3M5BmSVWHW6yB3KZF2clU_qM0LucX06GlGmrrPbUYiWTdNMTFQevlX_9PveXyhM6N029U6iha

2.   http://www.baike.com/wiki/%E7%BB%BF%E8%89%B2%E8%8D%A7%E5%85%89%E8%9B%8B%E7%99%BD

3.   http://www.360doc.com/content/14/1009/00/2283188_415399289.shtml

 

 

创新思路

一 内容方面的创新

 

首先由老师向学生讲授基本的生物医学光学所涉及的相关知识;在学生对相关领域有初步了解后,再由老师从网络上选择最前沿的科研文章,每周给三至四位学生分配不同的题目,在一周的时间内学生需要完成对相关主题的调研,做好讲解用的演示文稿;然后在一周后的课堂上由本组学生开展口头报告,向老师以及全部同学介绍自己调研的文章,讲解完毕后有十分钟时间由老师和同学自由提问。

 

二 方法方面的创新

 

1.        将传统的老师传授变为师生互动。在师生互动交流过程中,学生由被动接受变为主要求知,学生的学习积极性被充分调动,大大提高学习的兴趣和效率。

2.        单向流动变成双向反馈。学生在课下的自主调研,不仅能让自己真正投入到一个知识领域,深刻掌握该领域的知识,而且能提高学生多方面的自主学习能力,包括文献检索能力、英文阅读理解能力、归纳整理能力、运用知识能力等。做课堂报告也很好地提高学生学习的投入性,增强了学生的自信心。在提问环节中,老师和同学的提问不仅能增进双方对相关问题的理解,同时也能起到查漏补缺的作用,发现报告人未能发现的问题,开拓思路。

3.    在课堂教学单一模式之上,增加校外实践学习过程。本次课程安排了一次全体学生和老师参加的学术会议(2016广东省生物物理学年会暨第十二届粤港生物物理学研讨会,于201611月在广州举办)。通过这种类型的校外实际学习活动,学生们了解到各高校相关课题组的优秀研究成果,这给大家带来了很多思想上的冲击和启发,极大地激发研究灵感,对以后的研究工作有一定的促进作用。

分析与论证

课堂部分

 

方向之一   超分辨成像及应用

方向之二   非线性多模态成像及应用

方向之三   荧光寿命成像及应用

方向之四   其它生物光子学新技术

方向之五   新型纳米材料研究及生物应用

 

实践部分

2016年11月26-27号参加广东省生物物理学年会暨第十二届粤港生物物理学研讨会-参会学习记录

 

§  本次报告主要介绍了一种新式的全光学光声显微镜,这种全光学显微镜的目前可以检测到67MH的带宽,同时他的横向的分辨率可以达到10.8um,利用这个技术可以在生物组织里面达到很高的分辨率。相比于目前探测器的使用超声波作为探测源,这种技术突破了超声波无法在空气中传播和在其他的组织中必须要加耦合介质的局限性,全光学的光声显微镜应用前景更高。而且它使用光学的探测方式是无接触的,这样大大的提高了的它应用范围。(卞同学)

§  生物分子相互作用分析是基于SPR原理的新型生物传感分析技术,无须进行标记,也可以无须纯化各种生物组分。在天然条件下通过传感器芯片实时、原位和动态测量各种生物分子如多肽、蛋白质、寡核苷酸、寡聚糖,以及病毒、细菌、细胞、小分子化合物之间的相互作用过程。表面等离子共振是表面增强拉曼的重要增强机理之一,由于贵金属纳米粒子的尺寸效应及量子效应通过激发光照射能引起表面等离子共振,从而大大增强拉曼散射信号,已达到痕量检测的目的(蔡同学)

§  现如今,肿瘤已成为人们身体健康急需解决的一大难题,如何能在确保对其他组织细胞造成极少伤害的情况下,精准的将肿瘤细胞杀死是目前生物医学领域研究最热的一个方向。基于超短脉冲微波诱导单壁纳米碳管的高效热声肿瘤治疗有望成为现实,通过热声冲击波将肿瘤细胞杀死可极大的减少对其他正常组织细胞的伤害。(陈同学)

§  本次报告中,注射量子点至小鼠体内后,小鼠的脏器无明显损伤。生殖毒性反应中,注射量子点后,连续14天脏器系数无明显差别,卵巢中存在量子点分布,卵母细胞受到影响,成熟卵母细胞明显减少。通过研究量子点标记对生物体的效应及毒性研究,帮助我们在荧光成像观察生物体内组织时提供正确有利的注射量以及如何选择适合的量子点,为以后能将这项技术推广到更广阔的生物体领域打下基础。(杜同学)

§  报告人报道了一种非接触、宽频带、联合微型激光器和低相干迈克尔逊干涉仪的全光学光声显微镜(BD-AO-PAM)。光学相干层析系统(OCT)的硬件用于光声信号的检测。并且通过实验得到目前全光学光声显微镜可检测到的带宽为67兆赫,用碳纤维测得系统的横向分辨率可以达到 10.8 微米。利用在体小鼠耳朵血管来验证系统的成像能力。(刘同学)

§  将纳米粒子直接用于生物检测主要优势是利用纳米粒子的高荧光稳定性,可以在几十分钟到数小时研究细胞的过程中进行实时跟踪检测;可以用多种颜色的纳米粒子同时对细胞内或细胞表面进行多个靶向目标研究;将纳米粒子表面包覆有惰性物质壳层,使纳米粒子对细胞的毒性低于有机染料带来的毒性。另外,人们还合成了近红外发光的纳米粒子,为活体基因表达和酶活动研究提供了新的机遇。纳米粒子和生物分子的偶联物已经在DNA 杂化、免疫检测、受体诱导的细胞内吞作用和生物组织成像等方面得到应用,而且纳米粒子作为新一类的荧光标记材料已经逐步发展到活体细胞成像。 (海同学)

§  深圳大学邵永红老师关于《光谱型表面等离子体共振成像传感技术》的会议报告让我很感兴趣,该文章提出了一种基于波长诊断的表面等离子体共振传感技术,利用液晶可调滤波器(LCTF)对入射波长进行选择。结合追踪算法,在保证共振峰始终在扫描范围内,有效减小扫描范围。由于每次切换波长仪器都需要响应的时间,所以减小扫描的范围能够有效提高扫描的速度。为了进一步提高扫描速度和灵敏度,本文还提出了利用超连续谱激光器作为激发光源,利用声光可调滤波器(AOTF)对入射波长进行快速选择。结合追踪算法,获得每个数据点的时间约为0.34s,灵敏度达到1.27*10-6。(蒋同学)

§  宋军老师一种形貌精确控制的银纳米颗粒。通过在传统的光化学反应中引入水浴温控,实现了对银纳米颗粒形貌的精确控制,甚至颗粒的尖角锋锐度也能控制。这种精确控制带来了对等离子共振波长1nm的高精度调节,对表面增强拉曼有重大应用价值。(梁同学)

§  碳点(亦称碳量子点、碳纳米点)由于具有很好的水溶性、光稳定性、低毒性、低成本等优点以及独特的光学性质,已经在电化学免疫传感器、生物成像、金属离子检测、光催化、光伏等领域受到广泛关注和深入研究。碳点的合成方法对于碳点的光学性质及其应用的研究至关重要。 最近,以对苯二胺( p-phenylenediamine , pPD)作为碳源,利用乙醇溶剂热反应或水热反应,采用硅凝胶色谱分离提纯可获得不同颜色或全彩色的荧光碳点。本文采用硝酸酸化的 pPD 水溶液,水热合成了无需分离纯化的红色荧光碳点,其荧光量子效率为 15.8%,兼具有下转换上转换的独特光学特性,有望被应用于荧光探针及生物成像等领域。(林同学)

§  激光器产生激光脉冲作为信号,经透镜聚焦后从而使样品产生光声信号。光声信号通过超声耦合介质后,被超声探测器接收,再经过信号放大器。被放大的光声信号分为两路,分别被输送到示波器和锁相放大器,来获取光声信号的幅值和相位信息,并将此信号信息存储到电脑中。电脑控制探测扫描组件中的步进电机逐点扫描待测样品,并依次按照上述方式接收、采集数据。(刘同学)

§  植物精油作为天然抗菌剂的一种,具有广谱的抗菌性、良好的安全性和高效性,然而植物精油具有易挥发,易氧化,有特殊气味等缺点,限制了其在食品工业中的应用。溶菌酶作为一种天然抗菌剂,由于其主要作用于革兰氏阳性菌,同样限制了其在食品行业的应用,将溶菌酶与精油复合可以在保证良好抗菌效果的前提下降低精油的用量,同时也能拓展溶菌酶在食品保鲜领域的应用空间。因此,本研究采用静电纺丝技术将肉桂精油(CEO)和溶菌酶(LYS)纺制成一种新型的复合抗菌剂纳米纤维膜(PVA/β-CD/CEO/LYS)。(刘同学)

§  报告人报道了一种非接触、宽频带、联合微型激光器和低相干迈克尔逊干涉仪的全光学光声显微镜(BD-AO-PAM)。光学相干层析系统(OCT)的硬件用于光声信号的检测。并且通过实验得到目前全光学光声显微镜可检测到的带宽为67兆赫,用碳纤维测得系统的横向分辨率可以达到 10.8 微米。利用在体小鼠耳朵血管来验证系统的成像能力。(刘同学)

§  该报告主要是介绍海洋光学公司生产的光纤光谱仪的原理及其在生物领域方面的应用。其光学原理大概是:信号光由一个标准的光纤接口进入光学平台,先经一个球面镜准直,然后由一块平面光栅把该准直光色散,经由第二块球面镜聚焦,最后光谱的像就被投射到一块一维线性探测器阵列上。该光谱仪系统拥有多种平台,包括不同的电子系统、光学平台和探测器。(叶同学)

§  纳米材料即尺度处于纳米量级的材料。该项研究获得了形貌精确可控的银纳米颗粒,可实现等离子共振波长高达1 nm 的精确调节,并成功将它们应用在了表面增强拉曼探测中。通过OA-ODE 体系的方法,分别制备了以发射红光为主的NaYF4:Yb@NaYF4:Ho 纳米颗粒、稀土掺杂的Na3ZrF7纳米颗粒以及NaMn3F10 纳米颗粒,并成功将他们用于显微成像和肿瘤的光动力治疗当中。(张同学)

§  摘纳米技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术,而生物传感器是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。将纳米技术引入生物传感器领域后, 提高了生物传感器的检测性能,并促发了新型的生物传感器。近些年基于纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯等纳米材料构建的生物传感器不断出现。纳米颗粒、碳纳米管的高比表面积、生物相容性及高导电活性,实现了检测的灵敏度及稳定性,已经广泛用于化学及生物化学分析。另外,碳纳米管、纳米颗粒等材料组成的纳米混合物,为开发新型生物传感器提供了一种新思路。(张同学)

§  利用光动力效应进行疾病诊断和治疗的一种新技术。其作用基础是光动力效应。这是一种有氧分子参与的伴随生物效应的光敏化反应。其过程是,特定波长的激光照射使组织吸收的光敏剂受到激发,而激发态的光敏剂又把能量传递给周围的氧,生成活性很强的单态氧,单态氧和相邻的生物大分子发生氧化反应,产生细胞毒性作用,进而导致细胞受损乃至死亡。(赵同学)

§  通过MTT 实验证明,频谱水在直接孵育癌细胞EC9706 时,对癌细胞有轻微的增殖作用,而在冬凌草甲素作用癌细胞时,频谱水可以增强冬凌草甲素的抑制细胞增殖作用,同时流式细胞仪检测细胞凋亡也发现频谱水可以增强冬凌草甲素诱导癌细胞凋亡的作用。 说明频谱水可以增强冬凌草甲素的抗癌作用,而这主要是与频谱水分子团更小,溶解性更强,有利于水溶性较差的冬凌草甲素进入癌细胞有关。频谱水对正常状态巨噬细胞具有轻微的增殖作用,而对LPS 刺激的炎症巨噬细胞在24h 有轻微的增殖作用,在48 小时有轻微的抑制作用。但频谱水较普通蒸馏水更能刺激静息状态的RAW264.7巨噬细胞产生NO,表明频谱水对巨噬细胞有活化作用。同时,频谱水培养基培养的细胞在LPS 的刺激下诱导细胞释放NO 的能力较普通水培养基的能力更强。(邵同学)

§  声成像的原理就是用激光照射组织,由于生物组织对光波具有散射作用,不能够聚焦光波,但是电磁波能量能够进入生物组织的内部的光吸收体,而这些光吸收体能吸收能量并转换为热能,吸收体热胀冷缩使其成为声源再传播出来。在成像分辨率和成像深度上,光声显微成像能够提供从毫米量级到纳米量级的成像分辨率,同时还具备1~50mm的成像深度,这就是光声成像多尺度的特点所在。(汪同学)

§  研究夜间额叶癫痫患者在各睡眠分期 ECG 的功率谱熵变化规律,以探求采用 ECG 方便简易诊断夜间额叶癫痫病有关特性的方法。方法:分析 20 PhysioBank 数据库中 ECG 数据,其中10 例夜间额叶癫痫患者,10 例健康者。首先,计算 ECG 功率谱。然后,把功率谱分成六个子频带。最后分析每个子频带的功率谱熵。结果:夜间额叶癫痫患者与健康者对比,夜间额叶癫痫患者在子频带 4Hz-8Hz8Hz-16Hz 功率谱熵偏低。另外,夜间额叶癫痫患者在 4Hz-8Hz 的功率谱熵小于1.6Hz-4Hz 的功率谱熵。结论:夜间额叶癫痫患者的 ECG 含有不同的信息熵。夜间额叶癫痫患者的功率谱熵减小表明心脏的复杂度降低,正常的生理功能受到影响。我们可以得到初步的结论夜间额叶癫痫主要影响的频带是 4Hz-8Hz。(汪同学)

§  NR5A2nuclear receptor subfamily 5, group A, member 2 ),是核受体家族的成员,作为转录因子调控相关基因的表达而发挥重要的生物学功能。在本研究中,我们在乳腺癌细胞MDA-MB-231 MCF-7 细胞中转染过表达NR5A2 的质粒,进一步用化疗药阿霉素和顺铂处理。化疗药物处理24 小时和48 小时后,通过CCK8检测细胞活力和PI/Annexin-V 双染检测细胞凋亡。结果发现过表达NR5A2 的乳腺癌细胞活力显著高于对照组细胞,而过表达NR5A2 的乳腺癌细胞的凋亡率显著低于对照组细胞。接下来,我们在乳腺癌细胞MDA-MB-231 MCF-7 细胞中转染NR5A2 的小干扰RNAsiRNA),转染后同样用化疗药阿霉素和顺铂处理,药物处理24 小时和48 小时后,检测细胞活力和细胞凋亡。结果发现NR5A2 siRNA显著降低了NR5A2 的表达,低表达NR5A2 MDA-MB-231 MCF-7 细胞其活力显著低于对照组,而凋亡率显著高于对照组。(王同学)

§  超短脉冲微波可激发产生强烈的热声冲击波,并且在生物组织中具有很好的穿透深度。报告的新型深层肿瘤治疗方式利用线粒体靶向性的单壁碳纳米管作为微波吸收剂,其能有效的将吸收的超短微波能量转换成热声冲击波,由此选择性地破坏肿瘤细胞线粒体,从而诱导癌细胞凋亡。在单壁碳纳米管 (40 μg/ml) 和超短脉冲微波(40Hz1min)处理过后,癌细胞的死亡率达到77.5%,并且绝大多数是由线粒体损伤并继而启动细胞凋亡引起的。研究小组建立了小鼠原位肝癌作为深层肿瘤的动物模型来研究线粒体靶向性热声治疗的抗肿瘤效果。结果表明,热声治疗能有效的抑制深层肿瘤生长并且无任何可观察到的副作用,而这对于光热或光声治疗是难以实现的。这些发现表明热声治疗在深层肿瘤治疗上的应用潜力,并能发展成为一种非常有前景的新型肿瘤治疗方法。(王同学)

§   报告中首先介绍了光声成像的优势,并且说明了传统光声信号的转换是通过提高纳米探针的吸收率来提高转换效率,但此方法在深层组织由于光子平均自由程的限制,往往导致信噪比较低。有人提出将金属棒外包裹一层硅壳,硅壳对特定谱线的光吸收率很低,而模拟出此结构的转化效率是传统结构的三倍。而邢达等人根据已有文献进行分析,从原理上进行分析提出一种新型的核-壳结构作为纳米探针。(武同学)

§  表面等离子共振(SPR)技术具有实时监测和无标记等优势,已经广泛应用于生物监测、食品安全等诸多领域。该报告提出一种基于波长诊断的表面等离子体共振传感技术,利用液晶可调滤波器(LCTF)对入射波长进行选择。结合追踪算法,在保证共振峰始终在扫描范围内,有效减小扫描范围。由于每次切换波长仪器都需要响应的时间,所以减小扫描的范围能够有效提高扫描的速度。为了进一步提高扫描速度和灵敏度,报告中还提出了,利用超连续谱激光器作为激发光源,利用声光可调滤波器(AOTF)对入射波长进行快速选择。(朱同学)

§  光学由于其非接触性,破坏性小等优点,被广泛应用于生物医学领域,但生物体细胞对光的散射作用是影响光学信号成像的一个关键因素。于是声光转换这一技术被用来解决这一难题,用特定波长的光照射生物体,生物体吸收光能量产生声波并伴随着一定热能,而声波在生物体的散射作用比较弱,以用来成像达到较高分辨效果。而且在生物组织中声波能穿透得更深可以提高纵向分辨率。光声转化效率越高,成像的质量就越好,那么这篇论文就是就如何提高声光转换效率来研究的。(吴同学)

§  纳米技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术,而生物传感器是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。将纳米技术引入生物传感器领域后, 提高了生物传感器的检测性能,并促发了新型的生物传感器。近些年基于纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯等纳米材料构建的生物传感器不断出现。纳米颗粒、碳纳米管的高比表面积、生物相容性及高导电活性,实现了检测的灵敏度及稳定性,已经广泛用于化学及生物化学分析。另外,碳纳米管、纳米颗粒等材料组成的纳米混合物,为开发新型生物传感器提供了一种新思路同时纳米术对医学发展具有重要的推动作用,疾病诊断、预防和治疗的实际需求对纳米技术提出了获得更先进的药物传输系统和早期检测与诊断技术的期望,如早期诊断和预警、代谢产物中的生物标志物的发现、及其微量或痕迹量或瞬间的样品量的检测技术,适于大量或批量的实用检测技术平台,载体的效率和容量,靶向、缓释、可控的药物载体,药靶确证和药物筛选,甚至是突变或个体化差异的检测、诊治等。(李同学)

§  基于原子力显微镜(AFM)单分子力谱技术用于探测红细胞表面CFTR的分布和分子识别,利用CFTR抗体修饰AFM针尖分别测定重组CFTR多肽与抗体的特异性识别作用以及红细胞内外膜上CFTR受体识别位点分布。由于在云母上制备的重组CFTR多肽容易发生聚集现象,AFM的非原位探测难以实现单分子识别。然而,大多数蛋白在细胞膜上呈单分子状态分布, 所以对红细胞内膜上CFTR受体的原位探测更容易获得单分子力谱。通过内外膜的粗糙度,粒度分布等相关参数的分析表明,内膜由于排满密集的蛋白,比外膜相比相对粗糙,获得内外膜的明显差异,与文献报道一致,从而建立一种利用AFM 鉴别红细胞内外膜的新方法。(郑同学)

§  纳米光子学作为一个崭新的前沿领域,推动了科学研究的进展。基于纳米材料构建的分子影像探针, 受到越来越多的关注, 特别是在实时、动态、高灵敏成像方面具有广阔前景。报告展示了近年深圳大学生物光子学课题组在纳米生物光子学研究方向取得的一些研究进展,重点介绍新合成的一些纳米材料,以及在生物分子检测,生物成像和疾病诊疗等领域的应用。通过改变传统的光化学合成方法,获得了可控形貌的的银纳米颗粒,可实现等离子共振波长高达 1 nm 的精确调节。并成功将它们应用在了表面增强拉曼探测中。通过合成形貌均一可控的上转换纳米颗粒,并发展了包括成像、光动力治疗在内的多方位生物应用,发展了一系列基于微环共振散射原理的便携式生物分子传感芯片。(邹同学)

 

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实验/调研方案

本课程的实验与调研方案主要为:

老师提出一些本学科相关的前沿性研究方向,同时提供一些近期发表的有代表性的相关文献,经过同学们自己借助文献调研、向老师请教、同学间沟通等方法,确定调研题目。然后通过资料的收集、掌握,制作PPT,进行课堂讲述。在此过程中,其余同学进行相关问题提问并与老师进行讨论。

结合我们所选取的几个课题方向,由同学分头完成调研。总体方案如下:

方向一 超分辨成像及应用

由阿贝定理及瑞利判据可知,由于衍射效应的限制,常规的显微技术分辨率限制在半波长左右。为了揭示细胞内分子尺度的动态和结构特征,提高光学显微镜分辨率成为生命科学发展的迫切要求。近年来,远场荧光显微术因其非接触、无损伤、可探测样品内部等优势成为生命科学中热点研究对象。绕过衍射极限,提高荧光光学显微镜分辨率是个重要课题。2014年的诺贝尔化学奖花落超分辨率荧光显微技术领域。

本研究方向对各种超分辨率荧光显微技术,如:

·             STEDStimulated Emission Depletion fluorescence Microscopy

·             LSCMLaser Scanning Confocal Microscope

·             PALMPhotoactivated Localization Microscopy

·             STORMStochastic Optical Reconstruction Microscopy

通过文献调研,简要介绍这些方法的原理及其中的关键技术,包括之后的发展改进;简要介绍超分辨荧光显微术所用到的探针的原理及其具体应用。

方向二 非线性多模态成像及应用

共焦显微镜具有高分辨率尤其是纵向高分辨率的特点,使得它可以对样品的轴向进行光学层析,从而可以重构出样品的三维图像。在探测器和样品前面加的小孔光阑使得只有当样品处于焦平面时的散射光才能被探测器所接收,大大削弱了杂散光的影响,所以系统有很高的信噪比,图像有很高的对比度和清晰度。激光器问世之前,人们对于光学的认识主要是线性光学,激光器问世以后,由于高强度的激光作用到介质中时,感应的电极化强度与入射光强度不在是线性关系。每一种非线性光学成像技术对于特定的组织和结构是十分敏感的。非线性光学成像包括了连续反斯托克斯拉曼散射(CARS)、受激拉曼散射(SRS)、双光子激发荧光(TPEF)、二次谐波(SHG)、三次谐波(THG)以及四波混频(FWM)等。TPEF可对生物组织开展深层成像;SHG可对有规律排列的生物样品开展非标记成像;CARSSRS等技术可以对脂类等不易被标记的生物分子成像,还可以很好地通过选择振动光谱,对生物体内特定小分子物质如药物等,以及生物大分子如核酸、蛋白质等进行无需标记的成像,因此成为极有潜力的活体in vivo成像手段。就是基于这些非线性成像技术,多模态非线性成像技术具有对复杂的组织和结构成像的能力。

方向三 荧光寿命成像及应用

荧光寿命不受激发光强度变化、荧光团的浓度和光漂白等限制强度测量因素的制约,使得荧光寿命成像(FLIM)可以用来定量测量。本研究方向介绍了荧光寿命成像(FLIM)的技术原理(包括荧光寿命的定义、测量),荧光的来源(主要包括生物体自发荧光、荧光探针),以及该技术在生物物理学、生物化学、临床医学诊断等领域中的应用。

方向四 新型纳米材料研究及其应用

当今国际生物领域的前沿与热点,特别是纳米药物载体、纳米生物传感器、纳米荧光材料等的发展,在疾病的诊断、治疗和康复方面发挥重要作用,其中基于纳米材料与纳米技术的药物载体的制备研究及其抗癌药物的靶向输运对人类重大疾病,如肿瘤的治疗具有重大意义。近年来由于纳米科学技术的巨大发展,使纳米科技应用于生物医学领域起到了根本性的变革作用。另外,通过调研发现纳米量子点还可以应用于白光LED的制造,提高其各项照明性能。

方向五 其它生物光子学新技术

活体动物成像技术是指应用影像学方法,对活体状态下的生物过程进行组织,细胞和分子水平的定性和定量研究。活体动物成像技术是在不损伤动物的前提下对其进行长期的纵向研究,随着科技的进步,活体动物成像技术也在快速发展,常见的活体动物成像技术有可见光成像,核素成像,核磁共振成像,计算机断层摄影成像和超声成像等。通过同学的调研,介绍了一些新兴的技术,如光动力疗法、光遗传学技术、光学相干层析技术和光镊技术等。利用这些光学技术,可以直接观察活体动物体内的一些生理活动并应用光学手段进行研究,同时可以对生物体组织进行针对性的光学处理和应用光学方法来控制捕捉体内细胞。本方向详细的介绍了这几种技术的背景,工作原理及其应用,同时还针对每项技术的特点对它们的优点和缺点进行了总结。