院士专访 Ι 程和平: “戴着跑”的细胞级活体成像显微镜

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

从上世纪至今，在生命科学和医学研究中，成像技术是科技进步的核心动力，生物医学发展的历程大半部是成像技术的发展史。人类陆续发明了包括X射线、全息照相法、CT计算机断层成像、核医学成像、电子显微等多种技术：在成像精度上，已实现细胞级、亚细胞级、甚至单分子级的成像；在观测对象上，无论是基于离体的切片、组织，还有在体的实时观察，在生物研究及临床应用上都已经展示了巨大的科研价值和应用意义。

随着生命科学的发展，实现在活体动物上观察细胞和分子的活动过程，一直是成像技术研究者们的重要追求方向，而基于双光子的活体成像技术是公认的此方向具有巨大应用潜力的技术之一。

双光子成像技术也是一种荧光成像技术，与单光子共聚焦技术相比，其主要是利用荧光物质的一种光学非线性现象——双光子吸收原理，能够同时吸收两个长波长的光子，发射出短波长的荧光信号。正由于其“长波激发、短波发射”和非线性光学焦点激发的特性，双光子成像具有三维空间层切效应和高生物组织穿透性：可以更清晰地观察断层，且成像深度是单光子成像的10倍以上，对活体细胞和组织光损伤小，光毒性低，尤其适用于活体及在体高分辨成像。

“1992年，我很有幸使用世界上第二台双光子显微镜，首次实现了双光子心肌线粒体成像。在脑科学研究中，双光子显微镜是高端实验室必备的工具，当然其它前沿尖端的工具也是要必备的。如今，双光子荧光显微镜已成为最重要的显微镜成像技术之一。”

-- 程和平院士

2013年，国家自然科学基金委员会启动了国家重大科研仪器研制项目：高时空分辨微型化双光子在体成像系统。北京大学程和平院士牵头的项目组经过3年的不懈努力，攻关成功：双光子显微镜实现微型化，核心部件只有拇指大小，仅重2.2克，是小鼠可以 “戴着跑”的显微镜，也是世界

上体积最小、重量最轻的高时空分辨双光子显微镜。

能“戴着跑”的显微镜

2.2g微型化双光子显微镜可以在动物自然行为的条件下，实现对神经突触、神经元、神经网络等动态信息的长时程观察，不仅可以“看得见”大脑学习、记忆、决策、思维的过程，还将为可视化研究自闭症、阿尔茨海默病、癫痫等脑疾病的神经机制发挥重要作用。相关研究成果发表在2017年7月的NatureMethods上 [Nature Methods, 14(7):713—719]，被《Nature Methods》评为“2018年度方法”。

2017年，经科技部评审，该项目技术入选“2017度中国科学十大进展”。

图为习近平主席在北京大学金光生命科学大楼同程和平院士亲切握手。新华社记者姚大伟摄

目前，程院士已带领项目团队，将技术成果转化至北京超维景巴西vs瑞士让球有限公司，进行微型化双光子显微成像系统的产业化，不仅研发科研设备，同时扩展至医疗成像设备的开发。

图为使用超维景研发的双光子皮肤镜进行细胞级显微成像效果

和义广业创新平台联合纳通科技集团的医疗器械合规部门，为超维景研发团队提供了基于ISO 13485和NMPA新法规下的医疗器械体系、注册咨询服务，助力其医疗成像设备的项目更快推进。

借此机会，小编采访到项目带头人程和平院士，请他深入解密这项革命性成像技术及成果转化之路。

1、和义广业：程院士您好，请问在2013年启动的重大科研仪器项目中，您为何定下微型化双光子这一攻坚方向？

程院士：我跟双光子成像的缘分是很早的。90年世界上第一台双光子显微镜在康奈尔大学由Denk和Webb发明。92年，我当时是马里兰大学的研究生，我们开车六个多小时，用世界上第二台（双光子）显微镜，拍了一个很经典的心肌细胞线粒体的照片，后来用在了很多教科书上。但那个时候的装备非常昂贵、非常娇气，我们实验室自己不可能再建一个。

早期斯坦福大学团队已经把微型化单光子已经做得很酷了，在2013年这个项目中，我就想，双光子技术有没有可能微型化？双光子技术比单光子技术有很多独特的优势。有个信科的本科生跟着我做了一个论文，探讨了基本的思路。后来有基金委的7200万大项目支持，整个北大跨学科团队，三年多的集体攻关，2016年底把原型机整体做出来了，2017年发表。发表之后，得到了领域里很多认可，包括当年科技部的“年度十大科技进展”，还有2018年Nature Methods的“年度方法”。