在2020年12月22日，臨研所、病理科和科研處邀請(qǐng)北京大學(xué)王愛(ài)民副教授做了題目為“新一代微型雙光子顯微成像系統(tǒng)介紹及其在臨床醫(yī)療診斷”的學(xué)術(shù)報(bào)告。學(xué)術(shù)報(bào)告由臨研所醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)潘琳老師主持。王愛(ài)民，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院副教授，畢業(yè)于北京大學(xué)物理系，獲學(xué)士、碩士學(xué)位，后于英國(guó)巴斯大學(xué)物理系獲博士學(xué)位。該研究組研發(fā)的微型雙光子顯微鏡，第1次在國(guó)際上獲得了小鼠大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸清晰穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)信號(hào)，該成果獲得了2017年度“中國(guó)光學(xué)進(jìn)展”和“中國(guó)科學(xué)進(jìn)展”，并被NatureMethods評(píng)為2018年度“年度方法--無(wú)限制行為動(dòng)物成像”。目前，該研究組正在研究新一代雙光子顯微成像技術(shù)在臨床診斷中的應(yīng)用，為未來(lái)即時(shí)病理、離體組織檢測(cè)、術(shù)中診斷等提供新的影像手段和分析方法。雙光子顯微鏡不需要共聚焦細(xì)孔，提高了熒光檢測(cè)效率。美國(guó)ultima雙光子顯微鏡供應(yīng)商聯(lián)系方式

雙光子顯微鏡是一種先進(jìn)的成像技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞或組織的深層觀察。它的主要特點(diǎn)是使用雙光子激發(fā)來(lái)產(chǎn)生熒光，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣品的高分辨率成像。雙光子顯微鏡的工作原理是利用激光的脈沖寬度極窄的特性，將高能激光束聚焦到生物樣品中，激發(fā)出熒光。這個(gè)過(guò)程需要使用一個(gè)特殊的雙光子激發(fā)源，它能夠?qū)⒁粋€(gè)光子轉(zhuǎn)換為兩個(gè)光子，其中一個(gè)光子用于激發(fā)熒光，另一個(gè)光子則用于成像。雙光子顯微鏡具有以下優(yōu)點(diǎn)：高分辨率：由于雙光子激發(fā)的特性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣品的高分辨率成像，特別是對(duì)于深層組織的觀察。穿透深度大：雙光子激光的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，能夠更好地穿透生物組織，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)深層細(xì)胞的觀察。熒光壽命長(zhǎng)：雙光子激發(fā)產(chǎn)生的熒光壽命比單光子激發(fā)產(chǎn)生的熒光壽命長(zhǎng)，這使得雙光子顯微鏡能夠更好地區(qū)分不同的熒光標(biāo)記物。減少光毒性：由于雙光子激發(fā)的能量較低，因此對(duì)生物樣品的損傷較小，可以減少光毒性?？傊?，雙光子顯微鏡是一種非常有用的成像技術(shù)，可以用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的研究。國(guó)外雙光子顯微鏡磷光壽命計(jì)數(shù)雙光子顯微鏡在組織透明化成像中應(yīng)用；

細(xì)胞內(nèi)鈣離子作為重要的信號(hào)分子其作用具有時(shí)間性和空間性。當(dāng)個(gè)細(xì)胞興奮時(shí)，產(chǎn)生了一個(gè)電沖動(dòng)，此時(shí)，細(xì)胞外的鈣離子流入該細(xì)胞內(nèi)，促使該細(xì)胞分泌神經(jīng)遞質(zhì)，神經(jīng)遞質(zhì)與相鄰的下一級(jí)神經(jīng)細(xì)胞膜上的蛋白分子結(jié)合，促使這一級(jí)神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生新的電沖動(dòng)。以此類(lèi)推，神經(jīng)信號(hào)便一級(jí)一級(jí)地傳遞下去，從而構(gòu)成復(fù)雜的信號(hào)體系，終形成學(xué)習(xí)、記憶等大腦的高級(jí)功能。在哺乳動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)中，鈣離子同樣扮演著重要的信號(hào)分子的角色。靜息狀態(tài)下大部分神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度約為50-100nM，而細(xì)胞興奮時(shí)鈣離子濃度能瞬間上升10-100倍，增加的鈣離子對(duì)于突觸囊泡胞吐釋放神經(jīng)遞質(zhì)的過(guò)程必不可少。眾所周知，只有游離鈣才具有生物學(xué)活性，而細(xì)胞質(zhì)內(nèi)鈣離子濃度由鈣離子的內(nèi)外流平衡所決定，同時(shí)也受鈣結(jié)合蛋白的影響。細(xì)胞外鈣離子內(nèi)流的方式有很多種，其中包括電壓門(mén)控鈣離子通道、離子型谷氨酰胺受體、煙堿型膽堿能受體（nAChR）和瞬時(shí)受體電位C型通道（TRPC）等。神經(jīng)元鈣成像的原理就是利用特殊的熒光染料或鈣離子指示劑將神經(jīng)元中鈣離子濃度的變化通過(guò)熒光強(qiáng)度表現(xiàn)出來(lái)，以反映神經(jīng)元活性。該方法可以同時(shí)去觀察多個(gè)功能或位置相關(guān)的腦細(xì)胞。

Itrytoexplainwhytwo-photonmicroscopyhasadeeperimagingdepththanone-photonmicroscopy,intheareaofbiomedicalimaging.Manyofthebiomedicalimagingmodalities,nomatterone-photon(confocal)ormulti-photon(two-photon),uselasersaslightsourceandrequirecompatiblefluorescentdyes.Fluorescentdyeshavetheirownexcitationwavelength,andtheycaneitherbeexcitedbyasinglephotonwiththephotonenergyofthatexcitationwavelength(E=hv=h*c/λ);orbytwophotons,arrivingalmostatthesametime,buteachwithapproximatelyhalfoftheenergy,henceofdoublewavelengththanone-photon(0.5E->2λ).Theformeristheprincipleofone-photonmicroscopyandthelatteristheprincipleoftwo-photonmicroscopy.Whenimagingthesamefluorescentdye,sincetwo-photoncoulduseapproximatelydoubledwavelengthcomparedwithsingle-photon,two-photoncanobviouslypenetrateddeeperintothetissueduetolessscattering(longerwavelength,lessscattering).雙光子顯微鏡在各領(lǐng)域研究中已有許多成功實(shí)例。

WinfriedDenk較初使用的光源是染料飛秒激光器(100fs脈寬、630nm可見(jiàn)光波長(zhǎng))。雖然染料激光器對(duì)于實(shí)驗(yàn)室演示尚可，但是使用很不方便所以遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)商用。很快雙光子顯微鏡的標(biāo)配光源就變成了飛秒鈦寶石激光器。除了固態(tài)光源優(yōu)勢(shì)，鈦寶石激光器還具有較寬的近紅外波長(zhǎng)調(diào)諧范圍，而近紅外相比可見(jiàn)光穿透更深，對(duì)生物樣品損傷更小。下圖是Thorlabs的雙光子和三光子顯微鏡配置，鈦寶石飛秒可調(diào)諧激光器位于平臺(tái)較左邊?？茖W(xué)家正在從雙光子轉(zhuǎn)向三光子顯微鏡。1996年，ChrisXu在康奈爾大學(xué)(Denk同導(dǎo)師實(shí)驗(yàn)室)讀博期間發(fā)明了三光子顯微鏡，如果雙光子吸收可行，那么三光子看起來(lái)也是自然的發(fā)展方向。三光子成像使用更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，大約在1.3和1.7微米，其成像深度也比雙光子更深，目前記錄約為2.2毫米，人類(lèi)大腦皮層厚約4毫米。相比雙光子顯微鏡，三光子還要求以較低重頻使用更強(qiáng)和更短的激光脈沖，而傳統(tǒng)的鈦寶石激光器難以達(dá)到這些要求，但是對(duì)于摻鐿光纖飛秒光參量放大器則非常容易，比如我們的Y-Fi光參量放大器(OPA)。雙光子顯微鏡使用高能量鎖模脈沖器。進(jìn)口2PPLUS雙光子顯微鏡

雙光子顯微鏡在多個(gè)領(lǐng)域研究中已有許多成功實(shí)例。美國(guó)ultima雙光子顯微鏡供應(yīng)商聯(lián)系方式

首先，雙光子成像采用波長(zhǎng)范圍約在700~1000 nm的近紅外光激發(fā)，在組織中的散射系數(shù)較小，穿透性很好，因此非常適合厚樣本的觀察。同時(shí)，由于是近紅外光激發(fā)，也能避免樣品中激發(fā)波長(zhǎng)較短的自發(fā)熒光物質(zhì)的干擾，可獲得較強(qiáng)的熒光信號(hào)（如下圖）。所以雙光子成像具有較深的穿透力和較小的光毒性。通常在活物腦組織中雙光子顯微鏡有效成像深度可達(dá)200~500 μm，能夠較好地進(jìn)行三維成像。雙光子成像的另一大優(yōu)勢(shì)在于精確的空間點(diǎn)聚焦性。一般條件下，物質(zhì)只會(huì)被單光子激發(fā)，只有在光子密度足夠高的情況下，物質(zhì)才會(huì)吸收兩個(gè)光子從而被激發(fā)，所以，雙光子只會(huì)在光子密度蕞高的物鏡焦點(diǎn)附近發(fā)生，很少產(chǎn)生焦平面外的雜散光（如下圖）。這種性質(zhì)既提高了成像質(zhì)量，也降低了樣本的光漂白、光損傷區(qū)域。基于這些優(yōu)勢(shì)，使得雙光子顯微鏡非常適合對(duì)活細(xì)胞、活組織進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間在體成像。美國(guó)ultima雙光子顯微鏡供應(yīng)商聯(lián)系方式