隨著生物分子光學(xué)標(biāo)記技術(shù)的不斷進(jìn)步,光學(xué)技術(shù)在揭示生命活動基本規(guī)律的研究中正發(fā)揮越來越重要的作用,也為醫(yī)學(xué)診療提供了更多、更有效的手段。生物醫(yī)學(xué)光學(xué)(BiomedicalOptics)是近年來受到國際光學(xué)界和生物醫(yī)學(xué)界關(guān)注的研究熱點(diǎn),在生物活檢、光動力、細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能檢測、基因表達(dá)規(guī)律的在體研究等問題上取得了一系列研究成果,目前正在從宏觀到微觀上對大腦活動與功能進(jìn)行多層面的研究。細(xì)胞重大生命活動(包括細(xì)胞增殖、分化、凋亡及信號轉(zhuǎn)導(dǎo))的發(fā)生和調(diào)節(jié)是通過生物大分子間(如蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-核酸等)相互作用來實現(xiàn)的。蛋白質(zhì)作為基因調(diào)控的產(chǎn)物,與細(xì)胞和機(jī)體生理過程代謝直接相關(guān),深入研究基因表達(dá)及蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用不僅能揭示生命活動的基本規(guī)律,同時也能深入了解疾病發(fā)生的分子機(jī)理,進(jìn)而為尋找更有效的藥物分子、提高藥物篩選和藥物設(shè)計的效率提供新的方法和思路。利用多光子顯微鏡的光遺傳學(xué)操作能力,我們可以對某類神經(jīng)元的ji活和失活進(jìn)行高精度的操作。美國清醒動物多光子顯微鏡數(shù)據(jù)采集
細(xì)胞在受到外界刺激時,隨著刺激時間的增長,即使刺激繼續(xù)存在,Ca2+熒光信號不但不會繼續(xù)增強(qiáng),反而會減弱,直至恢復(fù)到未加刺激物時的水平。對于細(xì)胞受精過程中 Ca2+熒光信號的變化情況,研究發(fā)現(xiàn),配了在粘著過程中,Ca2+熒光信號未發(fā)生任何變化,而配子之間發(fā)生融合作用時,Ca2+熒光信號強(qiáng)度卻會出現(xiàn)一個不穩(wěn)定的峰值,并可持續(xù)幾分鐘。這些現(xiàn)象,對研究受精發(fā)育的早期信號及 Ca2+在卵細(xì)胞和受精卵的發(fā)育過程中的作用具有重要的意義。在其它一些生理過程如細(xì)胞分裂、胞吐作用等,Ca2+熒光信號強(qiáng)度也會發(fā)生很的變化。美國嚙齒類多光子顯微鏡數(shù)據(jù)分析證實了多光子顯微鏡對皮膚和別的皮膚病的診斷的可行性。
光學(xué)成像技術(shù)與分子生物學(xué)技術(shù)的結(jié)合為研究上述科學(xué)問題提供了條件與可能。因此,在現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上,急需發(fā)展新的成像技術(shù)。在動物體內(nèi),如何實現(xiàn)基因表達(dá)及蛋白質(zhì)之間相五作用的實時在體成像監(jiān)測是當(dāng)前迫切需要解決的重大科學(xué)技術(shù)問題。這是也生物學(xué)、信息科學(xué)(光學(xué))和基礎(chǔ)臨床醫(yī)學(xué)等學(xué)科共同感興趣的重大問題。對這-一一科學(xué)問題的研究不僅有助于闡明生命活動的基本規(guī)律、認(rèn)識疾病的發(fā)展規(guī)律,而且對創(chuàng)新藥物研究、藥物療效評價以及發(fā)展疾病早期診斷技術(shù)等產(chǎn)生重大影響。
國內(nèi)顯微鏡制造市場目前斷層嚴(yán)重。目前我國顯微鏡行業(yè)發(fā)展缺乏技術(shù)沉淀,20年以上經(jīng)營積累的企業(yè)十分稀缺,深度精密制造、光學(xué)主要部件設(shè)計及工藝嚴(yán)重制約產(chǎn)業(yè)升級。目前中國顯微鏡中如多光子顯微鏡、共聚焦掃描和電子顯微鏡等主要集中在徠卡顯微系統(tǒng)、蔡司、尼康、奧林巴斯等國外企業(yè)。國內(nèi)具備生產(chǎn)顯微鏡能力的企業(yè)屈指可數(shù),若國內(nèi)顯微鏡企業(yè)能打破技術(shù)壁壘,切入顯微鏡市場,企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營將騰躍至一個更高的格局。未來國產(chǎn)多光子激光掃描顯微鏡替代空間大。目前中國使用的多光子激光掃描顯微鏡幾乎被徠卡顯微系統(tǒng)、蔡司、尼康和奧林巴斯壟斷。國內(nèi)有能力開始生產(chǎn)多光子激光掃描顯微鏡的企業(yè)極少,若國內(nèi)能夠制造出高性能、高可靠性的多光子激光掃描顯微鏡,無異是會面臨極大的市場機(jī)遇。4tune光譜檢測器,實現(xiàn)多光子顯微鏡的光譜型檢測。
SternandJeanMarx在評論中說:祖家能夠在更為精細(xì)的層次研究樹突的功能,這在以前是完全不可能的。新的技術(shù)(如腦片的膜片鉗和雙光子顯微使人們對樹突的計算和神經(jīng)信號處理中的作用有了更好的理解。他們解釋了是樹突模式和形狀多樣性,及其獨(dú)特的電、及其獨(dú)特的電化學(xué)特征使神經(jīng)元完成了一系列的專門任務(wù)。雙光子與共聚焦在發(fā)育生物學(xué)中的應(yīng)用雙光子∶ 每2.5分鐘掃描一次,觀察24小時,發(fā)育到桑椹胚和胚泡階段共聚焦∶每15分鐘掃描一次,觀察8小時后細(xì)胞分裂停止,不能發(fā)育到桑椹胚和胚泡階段共聚焦激發(fā)時的細(xì)胞存活率為多光子系統(tǒng)的10~20%。多光子顯微鏡能提供多種對比度機(jī)制。美國全自動多光子顯微鏡方案
多光子顯微鏡使用高能量鎖模脈沖激光器。美國清醒動物多光子顯微鏡數(shù)據(jù)采集
對于雙光子(2P)成像而言,離焦和近表面熒光激發(fā)是兩個比較大的深度限制因素,而對于三光子(3P)成像這兩個問題大大減小,但是三光子成像由于熒光團(tuán)的吸收截面比2P要小得多,所以需要更高數(shù)量級的脈沖能量才能獲得與2P激發(fā)的相同強(qiáng)度的熒光信號。功能性3P顯微鏡比結(jié)構(gòu)性3P顯微鏡的要求更高,它需要更快速的掃描,以便及時采樣神經(jīng)元活動;需要更高的脈沖能量,以便在每個像素停留時間內(nèi)收集足夠的信號。復(fù)雜的行為通常涉及到大型的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)既具有局部的連接又具有遠(yuǎn)程的連接。要想將神經(jīng)元活動與行為聯(lián)系起來,需要同時監(jiān)控非常龐大且分布普遍的神經(jīng)元的活動,大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會在幾十毫秒內(nèi)處理傳入的刺激,要想了解這種快速的神經(jīng)元動力學(xué),就需要MPM具備對神經(jīng)元進(jìn)行快速成像的能力??焖費(fèi)PM方法可分為單束掃描技術(shù)和多束掃描技術(shù)。美國清醒動物多光子顯微鏡數(shù)據(jù)采集