李輝:深耕計算光學顯微成像 打造生命科學研究「利器」

李輝在實驗室檢查儀器設備

「工欲善其事，必先利其器」取字面釋義，直接說明了「利器」對於成事的重要價值。

在生命科學與基礎醫學研究領域，顯微鏡都是最常用的工具之一。但是常規「所見即所得」的顯微鏡，無法滿足幾十納米尺度的精細細胞結構觀測以及大量顯微成像圖像中的數據提取要求。中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所（簡稱「蘇州醫工所」）研究員李輝和他的團隊聚焦計算光學顯微成像技術與系統，從新的角度設計光學成像系統，結合數字圖像處理和強大的計算能力，顯著提升了成像的分辨能力和圖像信息獲取效率，輸出自主研製的儀器設備，為生物學研究專家提供稱手的「武器」。

一技傍身，轉路儀器研發

從中國科學技術大學近代物理系畢業後，李輝先後於中國科學院、德國康斯坦茲大學、美國愛荷華州立大學和諾特丹大學開展對生物大分子與細胞結構觀測的研究。得益於實驗物理學的背景，面向生物學相關領域的儀器開發一直對他有濃厚的吸引力。「我對光學顯微成像的接觸是從德國開始的，那時候主要是在操縱生物大分子的同時，通過單分子螢光觀察生物大分子的構象變化。」

2013年回國後，不滿足於生物大分子尺度的研究限制，李輝決定上升到細胞層次深化顯微成像技術和儀器研發。他說：「與凝聚態材料不同，生命體的組成從分子、細胞、組織到整個活體，不同層次的結構與功能形態各異。單純的生物大分子代表一個最小生命功能單元，無法反映絢麗的生命過程。」

隨著研究的深入進行，從儀器對活細胞的友好程度以及所體現的時間效率等角度考慮，李輝認為，結構光照明超分辨顯微鏡將會在未來的應用市場中大有用處。「結構光照明超分辨成像是一種典型的計算光學顯微成像方法。在儀器光學和控制上，我們需要解決如何產生高質量的結構光以及同步切換的問題；在計算上，我們需要設計圖像重建算法來實現高保真和高效率的超分辨圖像重建。在四五年的時間裡，我們搭建了兩套結構光照明顯微成像設備，適用於不同的生物學應用環境和需求。我們與眾多分子與細胞生物學以及病理學領域的研究專家合作，為解決生物醫學重大問題提供了幫助。」

依託國家重點研發計劃、國家自然科學基金以及多個人才類項目，李輝帶領研發團隊研發的結構光照明超分辨顯微鏡取得了一系列突破。2018年9月，蘇州醫工所舉辦了第一屆光學顯微成像培訓班，在全國範圍內選拔30多位學生共同學習最新的顯微成像技術，試用顯微成像儀器。「不同於常見的國外儀器廠商的培訓會，我們所展示的結構光照明超分辨顯微鏡等5套設備皆為自主研發，負責進行這次培訓的人員也就是儀器的研發人員。」在李輝看來，這種設備的集中展示能夠讓國內生命科學領域的專家更好地了解國產儀器的優勢，贏得更多生命科學研究領域人士的認可與肯定。

超分辨顯微成像：細緻入微

根據李輝介紹，結構光照明超分辨成像具有非特定螢光標記和寬場採圖等優點，在時間解析度和抑制光漂白方面優勢顯著。而他們目前擁有的DMD結構光照明器和雷射幹涉結構光照明超分辨成像系統，則是根據用戶在成本、精準度等方面不同的需求「定向」研發的。

基於數字微鏡陣列DMD的結構光照明器，用李輝的話來說，是一個設計相對簡單的「照明模塊」。「採用投影式結構光，DMD結構光照明器和傳統共聚焦顯微鏡相比，解析度提高了1.5倍左右，而且視頻拍攝的速度也相對較快，大致可以達到每秒20～50幀，可以精準地捕捉到活細胞內的動態變化。」

李輝還強調，由於「模塊」較小，它可以搭載絕大多數倒置螢光顯微鏡，將其從普通顯微鏡升級為超解析度顯微成像系統，同時具備三維層切成像的能力。「對常規顯微鏡的升級，它能夠實現更加精確的成像效果。目前在中國科學技術大學生命科學學院等單位試用後取得了很好的成像效果。我們也與知名顯微鏡代理商達成數十套設備的技術開發協議。」

如果把DMD結構光照明器的開發看作李輝研發團隊的「牛刀小試」，那麼解析度、視頻拍攝速度媲美國際領先設備的雷射幹涉結構光照明超分辨成像系統，應該算是他們成熟的代表作。為了達到更好的結構光調製效果，他們對雷射的偏振調控、位圖加載、時序同步等進行了一系列優化改進，建立了高保真的超分辨圖像重建算法等，最終開發了集光源合束模塊、結構光生成模塊、電子學控制系統、超分辨圖像重建算法和軟體等於一體的雷射幹涉結構光照明超分辨顯微鏡。成像速度在512×512像素的視場下可以達到每秒10幀，解析度優於90納米，適用於活細胞內精細結構的動態成像，可廣泛應用於分子生物學、細胞生物學、生物物理學等研究領域。

與此同時，他還表示會將超分辨成像技術應用於病理分析與診斷中。目前病理診斷常用的光學顯微鏡通常解析度較低，無法在疾病的早期發現亞細胞結構的細微變化，影響診斷的及時性和準確性。將計算光學顯微成像方法應用於病理診斷，研發具備納米尺度解析度、實時成像以及特異性分子識別能力的成像系統，為病理分析提供融合形態病理學和分子病理學方法的新型研究和診斷工具，期望建立基於染色體和線粒體超分辨成像的癌症早期診斷和分型分級方法。

高通量微流道成像：多多益善

除了超分辨顯微成像，近兩年李輝及其團隊還進入到高通量成像領域，開發了一套微小模式生物高通量成像與分選系統。「目前以斑馬魚等為代表的微小模式動物，由於其體積小、通體透明，非常適合活體成像，可定量分析許多複雜的生理過程，已成為發育生物學研究、大規模遺傳和藥物篩選的『明星生物』。」然而，大規模飼養的微小模式生物在顯微鏡下觀察時需人工揀選，並且只能局部成像，數據採集效率低下，這也讓它們從一定程度上喪失了作為微小模式生物的優勢。

為此，李輝及其團隊開發了一套微小模式生物高速分選及三維成像系統。這套系統一方面基於線陣相機的微流道快速成像進行初級成像與分選，速度可達到每秒10個斑馬魚胚胎；同時採用全自動光片照明來實現高分辨的三維斑馬魚胚胎整體成像，成像速度達到每秒1個胚胎，成像解析度達到1微米。李輝強調：「這樣大規模的圖像數據，對實時的圖像處理和後期的統計分析都提出了新的要求，這也是計算光學顯微成像迫切需要解決的問題。」這樣的高通量成像設備，通過對接已成熟的大規模模式動物、胚胎收穫體系和高通量給藥系統，將實現高通量遺傳及藥物篩選，屆時會對再生生物學、發育生物學、藥物研發等領域起到極大的推動作用。

「目前，我們將儀器設備投入到部分科研院所和醫院，整體反饋效果良好。以後會從用戶進一步的需求出發，發展定製化的特色服務。」即便設備儀器全面產業化還需要時間，但李輝認為，優良的性能、及時的反饋改進、相對於國外同等設備的經濟適用性，都將成為國產「顯微成像利器」的獨特優勢。

對於自身團隊的發展優勢，李輝也有明確的認知。在他看來，他們是一支融合光學、機械、電子控制、算法軟體和生物學應用的多交叉科研開發團隊，結構合理，且具備強有力的自發積極性和凝聚力。秉承技術開發、應用示範和成果轉化一條龍研究，與積極有效的對外合作相匹配的理念，在未來他們要將光學設計與計算方法結合起來，將生物醫學顯微成像推向「更高（解析度）、更深(成像深度）、更快（成像速度）、更大（視場範圍）」。

課題組成員合影

來源：《科學中國人》2019年08月（上）