逐光而行：他用“光子成像術”點亮生物世界！

在關于夏日的記憶中，總是少不了螢火蟲的身影。一到夜晚，它們常會聚集在小路邊、籬笆旁，星星點點閃爍著熒光。從遠處看去，那些點點銀白的、靈動的光在暗夜中飄浮，像是從天上灑下的點點繁星。如此美輪美奐的場景不僅具有極高的欣賞價值，事實上，它對于促進生物學與光學的結合研究也大有助益，生物光學學科也由此誕生。何思聰從博士階段起便專攻光學學科中光學顯微成像技術的開發(fā)及其在生物醫(yī)學領域應用的交叉方向，加入南方科技大學生命科學學院與生物醫(yī)學工程系后，他致力于開發(fā)具有高時空分辨率、大穿透深度、低光毒性特點的新型熒光顯微成像技術，通過可視化方式研究活體生物組織中的動態(tài)生物過程。“生物光學是一門由生命科學和物理學交叉融合形成的新興學科，其主要的研究對象是生物體中物質與光的相互作用。它旨在開發(fā)光學和光子學技術，以增進對生物體內結構、功能和動態(tài)過程的理解。也正因如此，生物光學也是一門激動人心且極具挑戰(zhàn)性的學科，值得我們?yōu)橥诰蛐轮３纸K生學習的良好習慣，以最大限度地發(fā)動學科交叉的創(chuàng)新引擎，利用光學技術來研究生物醫(yī)學領域的前沿科學問題。”他說。

逐“光”而行的“心”動力

依江納湖、水韻天成，談及何思聰與光學結緣的開端，必繞不過兼納浩蕩學風與江南靈秀之氣的浙江大學（以下簡稱“浙大”）。2008年是何思聰高考逐夢的年頭，也恰逢浙大開始全面推行“大類招生”的培養(yǎng)方案。值得一提的是，這種面向“通才教育”的改革手法突破了學科界限，鼓勵學生交叉學習，給了尚未擇定發(fā)展方向的學生一個“三省吾身”、厘清志趣的緩沖機遇，何思聰也是這種模式的受益者之一。由于大學二年級才開始細分專業(yè)，因此在入校的第一年里，他可以恣意在“大工程”的學海中逐風挽浪。但其實他的目光始終被光電信息工程學所吸引，“浙大光電學院是我國光學工程學科的誕生地，而光電學科是學校最具影響力的優(yōu)勢學科之一”，何思聰自此揭開了與光電信息、光學成像技術息息相關的人生新篇。

▲何思聰（左四）團隊合影

從浙江到香港，從西子湖畔到維多利亞港灣，何思聰捧著《幾何光學》《物理光學》等專業(yè)書籍走過了求學的數(shù)年光陰。盡管初至香港科技大學電子及計算機系時，他之于學科交叉、融合研究還是一張白紙，因沒有生物相關的學術背景而一度在課題開展中束手，但涓涓不壅、終為江河，在導師瞿佳男教授的諄諄教誨與悉心指導下，他沒有忽視任何一次積累經驗的機會，尤其認識到了與前輩生物學家的頻繁交流非常重要?！白鳛橐粋€具有光學研究背景的研究人員，需要跳出自己的慣性思維圈，主動了解生物領域的研究問題和需求，并思考如何將光學應用其中。而香港科技大學校園里各個不同專業(yè)院系的實驗室都在同一棟學術大樓里，各領域專家都在同一個屋檐下工作，無形中給跨學科交流合作創(chuàng)造了很便利的條件，我也因此受惠?！焙嗡悸斦f。

在研究方面，何思聰也同樣步履不停。在伏案耕耘的日日夜夜中，他最終收獲于仲夏——在博士后研究工作結束之際，他為“活體生物深層組織高分辨成像技術研究”“活體單細胞熒光標記與示蹤成像技術研究”兩項課題研究交上了完滿答卷。前者針對光學顯微成像在生物組織中應用的關鍵問題布局謀篇，著重解決由于生物組織中結構成分復雜，光線在穿透生物組織過程中會出現(xiàn)波前畸變，導致成像效果不理想等難點，他們嘗試利用波前整形校正光學像差，以提升成像深度和分辨率為目標全力攻關。而后者則著重在細胞的異質性認知上實現(xiàn)質變。

“為了在深層生物組織中實現(xiàn)高分辨率熒光成像，我們開發(fā)了自適應光學多光子熒光成像技術（AO-TPEFM）?！焙嗡悸斀榻B道。這一技術的最大優(yōu)勢是可在無創(chuàng)或微創(chuàng)條件下，穿透復雜的生物組織，獲得細胞結構的高分辨率熒光圖像。原因在于，何思聰團隊巧妙運用多光子熒光激發(fā)了儀器固有的三維光學切片能力?！拔覀冏孕薪M裝了一個超高靈敏度的波前探測器用以高效收集熒光作為導引星信號，據此測算出樣本像差所引入的光波前畸變信息，然后將計算得到的光學像差值即時傳遞給一套高精度變形鏡系統(tǒng)進行實時波前整形，同時采用閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)對殘留像差進行快速迭代校正。此技術可以實現(xiàn)對活體生物組織像差的精確測量和快速動態(tài)校正，從而提高深層組織成像的分辨率和對比度。”盡管研究已經完成了一段時間，但其中細節(jié)對何思聰而言卻是記憶猶新。

此外，細胞的異質性研究一直是生物學領域的重大需求，對于全面了解特定細胞類型的個體發(fā)育、動力學和功能的復雜性至關重要。成像技術的精進使人類能夠清楚地觀察到生物體內的細胞活動和生物過程，再加上可在生物體內長期追蹤觀測同一個細胞及其子代活動特點的單細胞標記技術的加持，無疑為展開細胞行為/發(fā)育/功能方面的異質性研究奠定了堅實的基礎。

談起“單細胞光學標記與示蹤成像技術”，何思聰則相應提到了與香港科技大學溫子龍教授課題組合作的相關項目。他們曾利用先進的光學顯微成像技術、光譜學分析及基因改造工具，開發(fā)了一種新型的紅外激光熱激單細胞標記示蹤技術——single-cell IR-LEGO。這項技術的重要創(chuàng)新點在于可利用紅外激光對攜帶有熱激啟動報告基因的細胞進行適當加熱，并誘導其發(fā)光，從而實現(xiàn)對單個細胞及其所有后代進行熒光標記，方便后續(xù)長時程追蹤細胞后代活動，記錄下持續(xù)、詳細的活動數(shù)據。何思聰說：“精準的單細胞熒光標記結合高分辨顯微成像技術，為我們直觀地理解生物體內每個細胞的行為特點打開了大門?！?/p>

成像新工具助力疾病研究

毋庸置疑，無論在生物還是醫(yī)學研究領域，科學工作者都期盼能隨時擁有一張直觀、清晰的靜態(tài)或動態(tài)圖像，用以分析細胞或生物體特定區(qū)域的特征及狀態(tài)，甚至是特定分子的表達、分布等信息。今天的生物光學成像憑借其檢測儀器發(fā)展成熟、靈敏度和分辨率較高，以及成像速度快等優(yōu)點走入了大眾視野，它的出現(xiàn)對過去一些“疑難雜癥”的新型診療手段開發(fā)有著重要的實踐意義。但在因人而異的病變機理與臨床表現(xiàn)面前，生物光學仍然存在廣闊的提升空間。這也是何思聰之所以加入南方科技大學賡續(xù)研究的根本動力。

“在香港時，我就了解到南方科技大學的創(chuàng)校精神是‘敢闖敢試、求真務實、改革創(chuàng)新、追求卓越’，生命科學學院院長張明杰院士非常希望能夠‘集眾學科之長’，建設有特色的學科體系，以全新的模式發(fā)展生命科學學院。很明顯，現(xiàn)代生物醫(yī)學研究正走在大數(shù)據化、定量化、多尺度多模態(tài)的康莊大道上，因此我認為自己過去所學與學院所需還是有比較高的契合度的，并且我十分認可張院士提出的發(fā)展方向?！币慌募春现拢@位青年學者便于2020年毅然加入隊伍之中，而他的研究就如同新生的生命科學學院一般，雖須從零開始，但也蘊含無限希望。

采買儀器、廣納賢才、兼顧研究、搭筑平臺……這些看似細碎繁瑣的事情在過去幾年里一直占據著何思聰?shù)纳睿珗猿值牧α恳餐纬捎谶@些波瀾不驚的歲月之中。當下，經過點滴沉淀與求索實踐，何思聰對未來的工作方向萌生了更為縝密、清晰的思考。“我認為，今天的生物醫(yī)學研究若要取得突破，開發(fā)跨尺度、多模態(tài)的高分辨成像技術工具非常關鍵。因此，我在南科大實驗室致力攻關的目標就在于開發(fā)可以廣泛適用于活體組織成像的高分辨率、大穿透深度的光學顯微鏡；同時結合人工智能和圖像處理等其他技術，實現(xiàn)圖像數(shù)據的多維度分析。我們希望通過開發(fā)前沿的成像技術和科研設備，幫助生物醫(yī)學領域的研究人員解決重大科學問題?！?/p>

時光前行不舍晝夜，連接起過去和未來，也鐫刻下團結奮斗的足跡。回首昨日，只身踏入南方科技大學的情景仍然清晰；立足當下，在生物光學成像實驗室中與每一位勤學篤思的伙伴協(xié)同攻關的日子足以令何思聰感到十足幸福?！白盍钗因湴恋木褪沁@支‘臥虎藏龍’、包含著物理、生物、電子、計算機等多學科專業(yè)背景人才的交叉研究團隊?？蒲袕膩聿荒苤豢恳蝗酥?，未來，也歡迎有光學、生物、儀器科學等專業(yè)背景的青年學者加入我們的團隊，和我們一起用光學技術探索生命的奧秘?！焙嗡悸斦f道。