光學成像技術點亮生物世界
——記南方科技大學生命科學學院與生物醫學工程系合聘助理教授何思聰

鄭 心 蔡巧玉

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及其在生物醫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學工程系后，他致力于開發具有高時空分辨率、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。它旨在開發光學和光子學技術，以增進對生物體內結構、功能和動態過程的理解。也正因如此，生物光學也是一門激動人心且極具挑戰性的學科，值得我們為挖掘新知保持終生學習的良好習慣，以最大限度地發動學科交叉的創新引擎，利用光學技術來研究生物醫學領域的前沿科學問題。”他說。

逐“光”而行的“心”動力

何思聰（左四）團隊合影

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，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。

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》等專業書籍走過了求學的數年光陰。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。“作為一個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造了很便利的條件，我也因此受惠。”何思聰說。

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質變。

“為了在深層生物組織中實現高分辨率熒光成像，我們開發了自適應光學多光子熒光成像技術（AO-TPEFM）。”何思聰介紹道。這一技術的最大優勢是可在無創或微創條件下，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了儀器固有的三維光學切片能力。“我們自行組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進行實時波前整形，同時采用閉環反饋控制系統對殘留像差進行快速迭代校正。此技術可以實現對活體生物組織像差的精確測量和快速動態校正，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，并誘導其發光，從而實現對單個細胞及其所有后代進行熒光標記，方便后續長時程追蹤細胞后代活動，記錄下持續、詳細的活動數據。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。”

成像新工具助力疾病研究

毋庸置疑，無論在生物還是醫學研究領域，科學工作者都期盼能隨時擁有一張直觀、清晰的靜態或動態圖像，用以分析細胞或生物體特定區域的特征及狀態，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展成熟、靈敏度和分辨率較高，以及成像速度快等優點走入了大眾視野，它的出現對過去一些“疑難雜癥”的新型診療手段開發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研究的根本動力。

“在香港時，我就了解到南方科技大學的創校精神是‘敢闖敢試、求真務實、改革創新、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，以全新的模式發展生命科學學院。很明顯，現代生物醫學研究正走在大數據化、定量化、多尺度多模態的康莊大道上，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展方向。”一拍即合之下，這位青年學者便于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的生活，但堅持的力量也往往形成于這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，今天的生物醫學研究若要取得突破，開發跨尺度、多模態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，實現圖像數據的多維度分析。我們希望通過開發前沿的成像技術和科研設備，幫助生物醫學領域的研究人員解決重大科學問題。”

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同攻關的日子足以令何思聰感到十足幸福。“最令我驕傲的就是這支‘臥虎藏龍’、包含著物理、生物、電子、計算機等多學科專業背景人才的交叉研究團隊。科研從來不能只靠一人之力，未來，也歡迎有光學、生物、儀器科學等專業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。”何思聰說道。