深耕计算光学显微成像 打造生命科学研究“利器”
——记中国科学院苏州生物医学工程技术研究所研究员李辉
□ 刘 贺
“工欲善其事，必先利其器”取字面释义，直接说明了“利器”对于成事的重要价值。
在生命科学与基础医学研究领域，显微镜都是最常用的工具之一。但是常规“所见即所得”的显微镜，无法满足几十纳米尺度的精细细胞结构观测以及大量显微成像图像中的数据提取要求。中国科学院苏州生物医学工程技术研究所（简称“苏州医工所”）研究员李辉和他的团队聚焦计算光学显微成像技术与系统，从新的角度设计光学成像系统，结合数字图像处理和强大的计算能力，显著提升了成像的分辨能力和图像信息获取效率，输出自主研制的仪器设备，为生物学研究专家提供称手的“武器”。
一技傍身，转路仪器研发
从中国科学技术大学近代物理系毕业后，李辉先后于中国科学院、德国康斯坦兹大学、美国爱荷华州立大学和诺特丹大学开展对生物大分子与细胞结构观测的研究。得益于实验物理学的背景，面向生物学相关领域的仪器开发一直对他有浓厚的吸引力。“我对光学显微成像的接触是从德国开始的，那时候主要是在操纵生物大分子的同时，通过单分子荧光观察生物大分子的构象变化。”
2013年回国后，不满足于生物大分子尺度的研究限制，李辉决定上升到细胞层次深化显微成像技术和仪器研发。他说：“与凝聚态材料不同，生命体的组成从分子、细胞、组织到整个活体，不同层次的结构与功能形态各异。单纯的生物大分子代表一个最小生命功能单元，无法反映绚丽的生命过程。”
随着研究的深入进行，从仪器对活细胞的友好程度以及所体现的时间效率等角度考虑，李辉认为，结构光照明超分辨显微镜将会在未来的应用市场中大有用处。“结构光照明超分辨成像是一种典型的计算光学显微成像方法。在仪器光学和控制上，我们需要解决如何产生高质量的结构光以及同步切换的问题；在计算上，我们需要设计图像重建算法来实现高保真和高效率的超分辨图像重建。在四五年的时间里，我们搭建了两套结构光照明显微成像设备，适用于不同的生物学应用环境和需求。我们与众多分子与细胞生物学以及病理学领域的研究专家合作，为解决生物医学重大问题提供了帮助。”
依托国家重点研发计划、国家自然科学基金以及多个人才类项目，李辉带领研发团队研发的结构光照明超分辨显微镜取得了一系列突破。2018年9月，苏州医工所举办了第一届光学显微成像培训班，在全国范围内选拔30多位学生共同学习最新的显微成像技术，试用显微成像仪器。“不同于常见的国外仪器厂商的培训会，我们所展示的结构光照明超分辨显微镜等5套设备皆为自主研发，负责进行这次培训的人员也就是仪器的研发人员。”在李辉看来，这种设备的集中展示能够让国内生命科学领域的专家更好地了解国产仪器的优势，赢得更多生命科学研究领域人士的认可与肯定。
超分辨显微成像：细致入微
根据李辉介绍，结构光照明超分辨成像具有非特定荧光标记和宽场采图等优点，在时间分辨率和抑制光漂白方面优势显著。而他们目前拥有的DMD结构光照明器和激光干涉结构光照明超分辨成像系统，则是根据用户在成本、精准度等方面不同的需求“定向”研发的。
基于数字微镜阵列DMD的结构光照明器，用李辉的话来说，是一个设计相对简单的“照明模块”。“采用投影式结构光，DMD结构光照明器和传统共聚焦显微镜相比，分辨率提高了1.5倍左右，而且视频拍摄的速度也相对较快，大致可以达到每秒20～50帧，可以精准地捕捉到活细胞内的动态变化。”李辉还强调，由于“模块”较小，它可以搭载绝大多数倒置荧光显微镜，将其从普通显微镜升级为超分辨率显微成像系统，同时具备三维层切成像的能力。“对常规显微镜的升级，它能够实现更加精确的成像效果。目前在中国科学技术大学生命科学学院等单位试用后取得了很好的成像效果。我们也与知名显微镜代理商达成数十套设备的技术开发协议。”
如果把DMD结构光照明器的开发看作李辉研发团队的“牛刀小试”，那么分辨率、视频拍摄速度媲美国际领先设备的激光干涉结构光照明超分辨成像系统，应该算是他们成熟的代表作。为了达到更好的结构光调制效果，他们对激光的偏振调控、位图加载、时序同步等进行了一系列优化改进，建立了高保真的超分辨图像重建算法等，最终开发了集光源合束模块、结构光生成模块、电子学控制系统、超分辨图像重建算法和软件等于一体的激光干涉结构光照明超分辨显微镜。成像速度在512×512像素的视场下可以达到每秒10帧，分辨率优于90纳米，适用于活细胞内精细结构的动态成像，可广泛应用于分子生物学、细胞生物学、生物物理学等研究领域。
与此同时，他还表示会将超分辨成像技术应用于病理分析与诊断中。目前病理诊断常用的光学显微镜通常分辨率较低，无法在疾病的早期发现亚细胞结构的细微变化，影响诊断的及时性和准确性。将计算光学显微成像方法应用于病理诊断，研发具备纳米尺度分辨率、实时成像以及特异性分子识别能力的成像系统，为病理分析提供融合形态病理学和分子病理学方法的新型研究和诊断工具，期望建立基于染色体和线粒体超分辨成像的癌症早期诊断和分型分级方法。
高通量微流道成像：多多益善
除了超分辨显微成像，近两年李辉及其团队还进入到高通量成像领域，开发了一套微小模式生物高通量成像与分选系统。“目前以斑马鱼等为代表的微小模式动物，由于其体积小、通体透明，非常适合活体成像，可定量分析许多复杂的生理过程，已成为发育生物学研究、大规模遗传和药物筛选的‘明星生物’。”然而，大规模饲养的微小模式生物在显微镜下观察时需人工拣选，并且只能局部成像，数据采集效率低下，这也让它们从一定程度上丧失了作为微小模式生物的优势。
为此，李辉及其团队开发了一套微小模式生物高速分选及三维成像系统。这套系统一方面基于线阵相机的微流道快速成像进行初级成像与分选，速度可达到每秒10个斑马鱼胚胎；同时采用全自动光片照明来实现高分辨的三维斑马鱼胚胎整体成像，成像速度达到每秒1个胚胎，成像分辨率达到1微米。李辉强调：“这样大规模的图像数据，对实时的图像处理和后期的统计分析都提出了新的要求，这也是计算光学显微成像迫切需要解决的问题。”这样的高通量成像设备，通过对接已成熟的大规模模式动物、胚胎收获体系和高通量给药系统，将实现高通量遗传及药物筛选，届时会对再生生物学、发育生物学、药物研发等领域起到极大的推动作用。
“目前，我们将仪器设备投入到部分科研院所和医院，整体反馈效果良好。以后会从用户进一步的需求出发，发展定制化的特色服务。”即便设备仪器全面产业化还需要时间，但李辉认为，优良的性能、及时的反馈改进、相对于国外同等设备的经济适用性，都将成为国产“显微成像利器”的独特优势。
对于自身团队的发展优势，李辉也有明确的认知。在他看来，他们是一支融合光学、机械、电子控制、算法软件和生物学应用的多交叉科研开发团队，结构合理，且具备强有力的自发积极性和凝聚力。秉承技术开发、应用示范和成果转化一条龙研究，与积极有效的对外合作相匹配的理念，在未来他们要将光学设计与计算方法结合起来，将生物医学显微成像推向“更高（分辨率）、更深(成像深度）、更快（成像速度）、更大（视场范围）”。
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