中國科學院深圳先進技術研究院生物醫學與健康工程研究所研發世界首款短波長激發時間與光譜分辨新型雙光子顯微鏡，該顯微鏡創新性地采用中心波長為520 nm的鎖模飛秒光纖激光器作為雙光子激發光源，可以有效地激發短波長波段熒光團，利用連接光譜儀的時間相關單光子計數(TCSPC)模塊，可以實現熒光光譜和熒光壽命的同時檢測。該技術可以實現紫外波段自體熒光的有效激發與探測，極大地拓展了雙光子成像技術的應用范圍，為無創觀測生物樣品及生命過程提供了一種新的研究工具。
在生物體中，普遍存在著內在的一些生物分子具有內源性熒光團，內源性熒光團的三維成像可以在不干擾生物環境的情況下對重要生物過程進行無創體內檢查，如代謝變化、形態改變和疾病進展，是組織成像和跟蹤細胞代謝過程的有力工具。另一方面，雙光子顯微鏡具有天然的光學切片能力，即無需物理切割就可以實現生物組織的三維高分辨成像。雙光子顯微鏡跟內源性熒光團的結合可以實現活體生物組織無標記成像，對很多生命活動的研究具有非常重要的意義。遺憾的是，傳統雙光子顯微鏡都是用鈦寶石激光器作為光源，只能對可見光波段的內源性熒光團進行探測，對于信息更豐富的短波長熒光團則無能為力。
中國科學院深圳先進技術研究院鄭煒研究員團隊首創采用520nm超快激發源搭建光譜分辨的雙光子熒光壽命成像系統，可以有效激發和探測傳統雙光子顯微系統無法成像的一系列短波長熒光團，比如作為細胞內代謝相關酶和蛋白質基本組成部分的色氨酸（單光子吸收峰~280 nm），作為血液主要成分的血紅蛋白(雙光子最佳激發波長<600 nm)，作為人體重要神經遞質的血清素(單光子吸收峰~280 nm)等等。為了探索該系統的實用性，研究團隊首先系統地評估了生物組織中典型的短波內源性熒光團純化學樣品在520nm激發下的熒光壽命和光譜特性，包括熒光分子酪氨酸、色氨酸、血清素(5-HT)、煙酸(維生素B3 (VB3))、吡哆醇(維生素B6 (VB6))和NADH，以及角蛋白、彈性蛋白和血紅蛋白。
隨后，研究團隊對不同的生物組織進行了成像，包括離體大鼠食管組織和離體大鼠口腔面頰組織。結果表明，該系統可以在不需要任何外加造影劑的情況下為生物系統提供高分辨率的三維形態信息和物理化學信息。該研究工作探索了短波長的內源性熒光團在食管壁中的分布。研究結果表明，該系統可以很清晰的看到食管的不同分層結構：上皮細胞（KE、SE）、固有層(LP)、粘膜層(SM)、外縱肌(MP)、纖維膜(FB)。而食管癌主要就發生在食管內部上皮細胞、固有層和粘膜層這些地方。結合壽命和光譜信息，系統可以明確識別食管內部多層結構的不同信號來源，定量區分不同組織成分在食管壁的位置和數量，區分食管分層結構。
最后，研究團隊進一下對小鼠皮膚進行了活體三維掃描成像，并基于短波內源熒光團在體內捕獲了小鼠耳廓內白細胞的遷移，實現了典型免疫反應(脂多糖注射或機械創傷)微環境中白細胞募集和變形運動的動力學過程可視化以及隨時間的熒光壽命測量。熒光強度圖像可以顯示亞細胞結構，色氨酸和血紅蛋白的熒光壽命信息可以區分紅細胞和白細胞，以及傷口和正常組織的位置。這些結果進一步驗證了該研究工作開發的系統在天然組織環境中監測免疫反應的能力。
該工作以題為《Short-wavelength excitation two-photon intravital microscopy of endogenous fluorophores》發表在生物醫學光學領域知名期刊Biomedical Optics Express上，中國科學院深圳先進技術研究院生物醫學與健康工程研究所助理研究員吳婷為文章第一作者，中國科學院深圳先進技術研究院生物醫學與健康工程研究所鄭煒研究員、李慧副研究員，北京大學物理學院施可彬研究員為共同通訊作者。該工作獲得了國家重點研發計劃項目，國家自然科學基金儀器項目、面上項目、培育項目、青年項目，中國科學院科學儀器創新團隊項目，深圳市基礎研究計劃等項目的支持。
圖1.生物組織中典型的短波內源性熒光團純化學樣品的熒光壽命和光譜特性
圖2.短波長內源性熒光團在食管壁中的三維定量分布
圖3.小鼠皮膚的活體三維無創自體熒光成像：強度圖像(上)，彩色編碼光譜圖像(中)，彩色編碼壽命圖像(下)
圖4 在體、無標記、無創地觀察(a)體外注射LPS藥物刺激后小鼠皮膚微循環變化和(b)針刺損傷后免疫白細胞典型的變形蟲爬行方式及其折疊、變形和相互作用等炎癥反應行為
PI與課題組簡介：
鄭煒，研究員，博士生導師，中國科學院深圳先進技術研究院生物醫學與健康工程研究所副所長，生物醫學光學與分子影像研究中心主任，廣東省生物醫學光學影像技術重點實驗室主任。國自然優秀青年基金獲得者，廣東省特支計劃科技創新領軍人才，深圳市杰出青年基金獲得者。
鄭煒研究員及其團隊一直從事雙光子顯微成像技術研究，帶領團隊研發了雙光子激發結構光照明超分辨成像技術，短波長激發、熒光壽命和熒光光譜探測的無標記雙光子成像技術，雙光子多幀超分辨成像技術等多種新型雙光子顯微成像技術，在成像分辨率、成像深度、成像視野及成像信息豐富程度上都有顯著突破。研究成果發表在《Nature Methods》、《iScience》、《Photonics Research》、《Optics Letters》等生物光學領域國際著名期刊上，被包括《Science》、《Nature》、《Nature Methods》、《PNAS》在內的期刊引用1400余次。
課題組長期招收新型光學顯微技術及儀器研發、生物醫學光子學相關機理研究方向碩士研究生/博士研究生/實習生/博士后，請感興趣的同學直接聯系：zhengwei@siat.ac.cn，簡歷及郵件標題注明“應聘崗位-學校名稱-專業-姓名”。
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