作者：丁佳發(fā)布日期：2018-12-27
科研人員正利用雙光子-STED顯微鏡觀察樣品。
“現(xiàn)在做生物的，都盯著《科學(xué)》、《自然》，儀器只要求用最好的，眼里沒有國產(chǎn)進(jìn)口之分；做醫(yī)生的，更是絕對不希望因為儀器而延誤病人的診治。可大家傳統(tǒng)觀念里都覺得，國產(chǎn)儀器不好用。國產(chǎn)要真正替代進(jìn)口，面臨著很大壓力，這怎么破？”
浙江大學(xué)教授王平拋出的這個問題，中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所想要給出答案。12月26日，蘇州醫(yī)工所承擔(dān)的國家重大科研裝備研制項目“超分辨顯微光學(xué)核心部件及系統(tǒng)研制”通過驗收，標(biāo)志著我國具備了高端超分辨光學(xué)顯微鏡的研制能力。
白天不懂夜的黑
在當(dāng)今生物學(xué)和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究中，高/超分辨光學(xué)顯微鏡的作用是至關(guān)重要的，尤其是10~100nm尺度的超分辨顯微光學(xué)成像，更是取得原創(chuàng)性研究成果的重要手段。
例如，在微生物學(xué)研究中，科學(xué)家通過對微生物活體動態(tài)進(jìn)行超微觀測，能夠揭示許多重要的生命現(xiàn)象；在神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)家需要動態(tài)觀察神經(jīng)突觸的形成和變化，以揭示高級神經(jīng)活動及神經(jīng)病變的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能；而在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研究人員更需要依賴超分辨光學(xué)顯微鏡，去觀察病毒入侵細(xì)胞的機(jī)制等，更好地研究一些重大疾病的發(fā)生機(jī)理。
然而，光學(xué)專家和生物學(xué)家之間，卻似乎一直有一條看不見的鴻溝。
這種割裂，中科院蘇州醫(yī)工所所長唐玉國有著切身體會。在來蘇州之前，他在中科院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所工作了多年，他坦言“以前我們做光學(xué)的就是埋頭做自己的，并不懂生物學(xué)家對高端顯微鏡有多么渴求。”
中科院蘇州醫(yī)工所是中科院唯一一家以生物醫(yī)學(xué)儀器、試劑和生物材料為主要研發(fā)方向的研究所，在與大量生物領(lǐng)域?qū)＜医佑|后，唐玉國意識到，我國對光學(xué)顯微鏡、特別是高端光學(xué)顯微鏡的需求極其旺盛。
但現(xiàn)狀是，我國雖然是顯微鏡消費(fèi)大國，但自己只能生產(chǎn)中低端產(chǎn)品，高端儀器基本依賴于進(jìn)口，這已經(jīng)嚴(yán)重制約了我國生物學(xué)和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)等相關(guān)前沿領(lǐng)域的創(chuàng)新研究。
魚與熊掌如何兼得？
歷時五年攻關(guān)，中科院蘇州醫(yī)工所科研人員全面突破大數(shù)值孔徑物鏡、特種光源、新型納米熒光增強(qiáng)試劑、系統(tǒng)集成與檢測等關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)申請90余項國家發(fā)明專利，其中獲得授權(quán)30余項，并研制出了激光掃描共聚焦顯微鏡、雙光子顯微鏡、受激發(fā)射損耗(STED)超分辨顯微鏡、雙光子-STED顯微鏡等高端光學(xué)顯微鏡整機(jī)。
以雙光子-STED顯微鏡為例，它將雙光子顯微技術(shù)和STED顯微技術(shù)有機(jī)融合在一起，不僅能對較厚的樣品進(jìn)行深層成像，還能對感興趣的區(qū)域進(jìn)行超高分辨成像。
“雙光子和STED兩種顯微鏡市場上都已經(jīng)有儀器銷售了，但它們都有著自己的優(yōu)缺點(diǎn)，雙光子顯微鏡能看到樣本中深層結(jié)構(gòu)，但看不了尺度100納米以內(nèi)的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)；而STED顯微鏡成像分辨率能達(dá)到50納米，但成像深度很淺。”中科院蘇州醫(yī)工所研究員張運(yùn)海說。
張運(yùn)海告訴《中國科學(xué)報》記者，在一些腦科學(xué)研究中，經(jīng)常需要看一些比較厚的腦切片結(jié)構(gòu)，如果用兩臺顯微鏡分別觀察深層結(jié)構(gòu)和100納米以內(nèi)的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，需把樣品從一臺顯微鏡挪動到另一臺顯微鏡，就找不到原來觀察的位置了。“通過這臺雙光子-STED顯微鏡，科學(xué)家就可以方便地觀察深層結(jié)構(gòu)和表層感興趣區(qū)域的精細(xì)結(jié)構(gòu)。”
此外，研究所還通過該項目，建成了高端顯微光學(xué)加工、裝調(diào)、檢測以及顯微鏡整機(jī)技術(shù)集成工程化平臺，有望為用戶需求提供定制化的顯微鏡設(shè)備，為我國高端光學(xué)顯微鏡的發(fā)展提供了系統(tǒng)解決方案。
從進(jìn)口到出口
中科院院士柴之芳對這幾臺高端顯微鏡的誕生感到很欣慰，他希望這些儀器能夠盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，不僅助力科學(xué)研究，最終還能在臨床上得到應(yīng)該用，在一定程度上替代國外的產(chǎn)品。
實(shí)際上，項目所研制的超分辨顯微鏡或核心部件已在國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)使用，并已取得了部分成果。
比如，中科院動物研究所利用高端光學(xué)顯微鏡觀察發(fā)育生物學(xué)中的基本現(xiàn)象，研究潛在調(diào)控機(jī)制。中科院上海藥物研究所應(yīng)用高端光學(xué)顯微鏡觀察藥物胞內(nèi)靶向定位和輸送，加速創(chuàng)新性新藥研發(fā)。美國斯坦福大學(xué)、日本東京大學(xué)、我國陸軍軍醫(yī)大學(xué)等專業(yè)實(shí)驗室利用雙光子顯微成像技術(shù)進(jìn)行了信息識別、行為控制等腦科學(xué)核心問題的研究以及動物在體成像實(shí)驗，獲得了高分辨實(shí)時神經(jīng)元活動成像數(shù)據(jù)。
此外，顯微鏡和關(guān)鍵部件已有部分成果實(shí)現(xiàn)了出口銷售。如雙光子顯微鏡已銷往德國、以色列、美國等多家國外研究機(jī)構(gòu)。
驗收專家組認(rèn)為，項目組完成的四類高端光學(xué)顯微鏡，以及大數(shù)值孔徑顯微物鏡、特種光源等核心部件，所有技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到實(shí)施方案規(guī)定的考核指標(biāo)要求，四類超分辨顯微成像系統(tǒng)均已達(dá)到實(shí)用化水平完成了總體目標(biāo)，同意通過驗收。
但唐玉國直言，高端顯微鏡的國產(chǎn)化道路并不是一蹴而就的。他透露，研究所下一步還將結(jié)合工程化及成果轉(zhuǎn)化創(chuàng)新模式，實(shí)現(xiàn)科技成果在研發(fā)平臺、工程化平臺、產(chǎn)業(yè)化平臺、市場平臺的高效對接，通過系列化、組合化的產(chǎn)品布局，對顯微鏡系統(tǒng)和核心部件進(jìn)行工程化、產(chǎn)業(yè)化。“接下來我們要把顯微鏡的性能再提高幾個百分點(diǎn)，一點(diǎn)點(diǎn)地把失去的陣地拿回來。”
來源：科學(xué)網(wǎng)
