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郑炜研究员团队研发首款短波长激发时间与光谱分辨新型双光子显微镜

作者:超级管理员    发布时间:2023-06-28 15:31:00    浏览量:1002次

中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所研发世界首款短波长激发时间与光谱分辨新型双光子显微镜,该显微镜创新性地采用中心波长为520 nm的锁模飞秒光纤激光器作为双光子激发源,可以有效激发短波长荧光团,利用连接光谱仪的时间相关单光子计数(TCSPC)模块,可以实现荧光光谱和荧光寿命的同时检测。该技术可以实现紫外波段自体荧光的有效激发与探测,极大地拓展了双光子成像技术的应用范围,为无创观测生物样品及生命过程提供一种新的研究工具

在生物体中,普遍存在着内在的一些生物分子具有内源性荧光团,内源性荧光团的三维成像可以在不干扰生物环境的情况下对重要生物过程进行无创体内检查,如代谢变化、形态改变和疾病进展是组织成像和跟踪细胞代谢过程的有力工具。另一方面,双光子显微镜具有天然的光学切片能力,即无需物理切割就可以实现生物组织的三维高分辨成像。双光子显微镜跟内源性荧光团的结合可以实现活体生物组织无标记成像,对很多生命活动的研究具有非常重要的意义。遗憾的是,传统双光子显微镜都是用钛宝石激光器作为光源,只能对可见光波段的内源性荧光团进行探测,对于信息更丰富的短波长荧光团则无能为力。

中国科学院深圳先进技术研究院郑炜研究员团队首创采用520nm超快激发源搭建光谱分辨的双光子荧光寿命成像系统,可以有效激发和探测传统双光子显微系统无法成像的一系列短波长荧光团,比如作为细胞内代谢相关酶和蛋白质基本组成部分的色氨酸(单光子吸收峰~280 nm),作为血液主要成分的血红蛋白(双光子最佳激发波长<600 nm),作为人体重要神经递质的血清素(单光子吸收峰~280 nm)等等。为了探索该系统的实用性,研究团队首先系统地评估了生物组织中典型的短波内源性荧光团纯化学样品520nm激发下的荧光寿命和光谱特性,包括荧光分子酪氨酸、色氨酸、血清素(5-HT)、烟酸(维生素B3 (VB3))、吡哆醇(维生素B6 (VB6))和NADH,以及角蛋白、弹性蛋白和血红蛋白。

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1.生物组织中典型的短波内源性荧光团纯化学样品的荧光寿命和光谱特性

随后,研究团队对不同的生物组织进行了成像,包括离体大鼠食管组织和离体大鼠口腔面颊组织。结果表明,该系统可以在不需要任何外加造影剂的情况下为生物系统提供高分辨率的三维形态信息和物理化学信息。该研究工作探索了短波长的内源性荧光团在食管壁中的分布。研究结果表明,该系统可以很清晰的看到食管的不同分层结构:上皮细胞(KE、SE)、固有层(LP)、粘膜层(SM)、外纵肌(MP)、纤维膜(FB)。而食管癌主要就发生在食管内部上皮细胞、固有层和粘膜层这些地方。结合寿命和光谱信息,系统可以明确识别食管内部多层结构的不同信号来源,定量区分不同组织成分在食管壁的位置和数量,区分食管分层结构。

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2.短波长内源性荧光团在食管壁中的三维定量分布

最后,研究团队进一下对小鼠皮肤进行了活体三维扫描成像,并基于短波内源荧光团在体内捕获了小鼠耳廓内白细胞的迁移,实现了典型免疫反应(脂多糖注射或机械创伤)微环境中白细胞募集和变形运动的动力学过程可视化以及随时间的荧光寿命测量荧光强度图像可以显示亚细胞结构,色氨酸和血红蛋白的荧光寿命信息可以区分红细胞和白细胞,以及伤口和正常组织的位置。这些结果进一步验证了该研究工作开发的系统在天然组织环境中监测免疫反应的能力。

 

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3.小鼠皮肤的活体三维无创自体荧光成像:强度图像(上),彩色编码光谱图像(中),彩色编码寿命图像(下)

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4 在体、无标记、无创地观察(a)体外注射LPS药物刺激后小鼠皮肤微循环变化和(b)针刺损伤免疫白细胞典型的变形虫爬行方式及其折叠、变形和相互作用等炎症反应行为

该工作以题为Short-wavelength excitation two-photon intravital microscopy of endogenous fluorophores发表在生物医学光学领域知名期刊Biomedical Optics Express上,中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所助理研究员吴婷为文章第一作者,中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所郑炜研究员、李慧副研究员,北京大学物理学院施可彬研究员为共同通讯作者。该工作获得了国家重点研发计划项目,国家自然科学基金仪器项目、面上项目、培育项目、青年项目,中国科学院科学仪器创新团队项目,深圳市基础研究计划等项目的支持。

文章链接:https://doi.org/10.1364/BOE.493015

PI与课题组简介:

郑炜,研究员,博士生导师,中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所副所长,生物医学光学与分子影像研究中心主任,广东省生物医学光学影像技术重点实验室主任。国自然优秀青年基金获得者,广东省特支计划科技创新领军人才,深圳市杰出青年基金获得者。

郑炜研究员及其团队一直从事双光子显微成像技术研究,带领团队研发了双光子激发结构光照明超分辨成像技术,短波长激发、荧光寿命和荧光光谱探测的无标记双光子成像技术,双光子多帧超分辨成像技术等多种新型双光子显微成像技术,在成像分辨率、成像深度、成像视野及成像信息丰富程度上都有显著突破。研究成果发表在《Nature Methods》、《iScience》、《Photonics Research》、《Optics Letters》等生物光学领域国际著名期刊上,被包括《Science》、《Nature》、《Nature Methods》、《PNAS》在内的期刊引用1400余次。

课题组长期招收新型光学显微技术及仪器研发、生物医学光子学相关机理研究方向硕士研究生/博士研究生/实习生/博士后,请感兴趣的同学直接联系:zhengwei@siat.ac.cn简历及邮件标题注明“应聘岗位-学校名称-专业-姓名”。