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深层生物组织光学技术发展及其应用(特邀)

中国激光 2024年第1期51卷 330-353页

作者：赖溥祥赵麒周颖颖程圣福胡子敏李焕浩余志鹏黄夏子姚靖庞未然李浩然黄浩梵李文钊郑源东王志远袁楚琪仲天庭香港理工大学生物医学工程系中国香港九龙999077 香港理工大学深圳研究院广东深圳518055 香港理工大学光子技术研究院中国香港九龙999077 香港理工大学体育科技研究院中国香港九龙999077

光学技术在生物医学中扮演着越来越重要的角色,其非电离辐射、高分辨率、高对比度和对生物组织异变高度灵敏等特性使其非常适用于生物组织的研究,包括成像、传感、治疗、刺激以及控制等。然而由于光折射因子在生物组织中的分布是不均匀... 详细信息

光学技术在生物医学中扮演着越来越重要的角色,其非电离辐射、高分辨率、高对比度和对生物组织异变高度灵敏等特性使其非常适用于生物组织的研究,包括成像、传感、治疗、刺激以及控制等。然而由于光折射因子在生物组织中的分布是不均匀的,光在生物组织中的传播会受到很强的散射影响,故纯光学技术的穿透深度和空间分辨率是“鱼和熊掌不可兼得”;高分辨率光学成像应用仅限于样品浅表层,当成像深度增加时分辨率急剧下降。实现光在深层生物组织里的高分辨率成像或应用是人们期盼已久的目标。近年来,为解决这一问题,研究者提出了不同的方法,例如切换到更长的光波长以减小组织散射系数,在信号检测时将漫射光转换为散射不明显的超声信号,逆转或者预先补偿由光的多次散射所带来的相位畸变,或借助光纤等微创光学通道实现深层生物组织的高分辨率光学成像、刺激等。基于团队在深层生物组织光学相关领域多年的耕耘,从光在生物组织中的传播特性出发,梳理和总结了近年来研究人员在光-声结合和光学波前整形技术等方面展开的诸多探索,以及在生物组织操控、成像、光学计算以及人工智能等领域中的应用尝试。虽然尚有诸多不足,但随着硬件设备的更新和计算技术的发展,在不远的将来有望实现活体深层生物组织光学高分辨率应用。在这一求索过程中,新方法和新能力将不断激发新的应用灵感,为光学尤其是生物医学光子学带来全新的理念和机遇。

关键词：生物光学光学成像生物医学光子学深层组织光学波前整形光声成像

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用于创面修复的胶原基生物材料的研究进展

中华烧伤与创面修复杂志 2024年第1期40卷 90-95页

作者：董祖琴陈亚芳梁洁樊渝江四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心四川大学生物医学工程学院成都610064

急性或慢性创面是常见的临床问题。胶原蛋白因具有来源丰富、生物相容性良好、免疫原性低以及可生物降解等诸多优点,被广泛用于创面修复的基础研究和临床治疗,具有广阔的临床应用前景。该文简要回顾胶原蛋白在创面愈合相关的不同生物学... 详细信息

急性或慢性创面是常见的临床问题。胶原蛋白因具有来源丰富、生物相容性良好、免疫原性低以及可生物降解等诸多优点,被广泛用于创面修复的基础研究和临床治疗,具有广阔的临床应用前景。该文简要回顾胶原蛋白在创面愈合相关的不同生物学过程中的作用,对胶原蛋白的来源进行了概述;此外,该文还总结了基于胶原蛋白的创面敷料在创面修复领域中的应用情况及最新研究进展。

关键词：胶原生物相容性材料组织支架重组胶原蛋白创面修复

聚苯乙烯微塑料通过重塑肠道微生物和上调Claudin 1蛋白表达诱导小鼠睾丸损伤

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生态毒理学报 2024年第3期19卷 353-362页

作者：夏俭有刘波潘铁军武汉科技大学医学院武汉430065 中部战区总医院泌尿外科武汉430070

环境相关的生殖健康问题日益严峻,聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)是睾丸内检出量最大的一类微塑料,其是否通过影响肠道菌群和紧密连接蛋白(Claudin 1、Occludin、ZO 1)表达参与睾丸的损伤尚不清楚。30只雄性BALB/c小鼠随机分为对照组和PS-MPs组... 详细信息

环境相关的生殖健康问题日益严峻,聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)是睾丸内检出量最大的一类微塑料,其是否通过影响肠道菌群和紧密连接蛋白(Claudin 1、Occludin、ZO 1)表达参与睾丸的损伤尚不清楚。30只雄性BALB/c小鼠随机分为对照组和PS-MPs组(灌胃浓度1 mg·kg^(-1)·d^(-1)),染毒周期42 d,应用酶联免疫吸附实验(ELISA)检测血清中游离睾酮(T)、黄体生成素(LH)水平,普鲁士蓝和Masson染色观察睾丸组织病理学变化,γ-H2AX免疫荧光法检测睾丸组织DNA损伤,16S rRNA测序技术检测PS-MPs对小鼠肠道菌群的影响,结合免疫组化法分析PS-MPs对紧密连接蛋白(Claudin 1、Occludin、ZO 1)表达的影响,探究PS-MPs对雄性小鼠睾丸的损伤效应及其机制。结果表明,1 mg·kg^(-1)·d^(-1)PS-MPs灌胃42 d后,可导致血清T水平降低、睾丸病理学改变、氧化损伤(活性氧(ROS)、丙二醛(MDA)、8-羟基脱氧鸟苷(8-OHdG)水平升高)及DNA损伤(γ-H2AX蛋白荧光强度增加),并显著增加睾丸紧密连接蛋白Claudin 1、Occludin、ZO 1的表达,且这种增加可能与肠道菌群厚壁菌门(Firmicutes)中乳酸杆菌属(Lactobacillus)丰度下降有关。综上,PS-MPs可能通过重塑肠道微生物和上调Claudin 1蛋白表达诱导小鼠睾丸损伤,研究结果为临床防治PS-MPs相关的睾丸疾病提供参考依据。

关键词：聚苯乙烯微塑料 BALB/c小鼠睾丸损伤 Claudin 1

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数值孔径对飞秒激光角膜切削的影响

中国激光 2024年第9期 255-261页

作者：吕海军王雨李华明张卓宇赵新恒吕晓华刘秀丽曾绍群华中科技大学武汉光电国家研究中心高端生物医学成像重大科技基础设施生物医学光子学教育部重点实验室BrittonChance生物医学光子学研究中心天津市眼科医院南开大学附属眼科医院天津医科大学眼科临床学院南开大学眼科学研究院华中科技大学武汉光电国家研究中心高端生物医学成像重大科技基础设施生物医学光子学教育部重点实验室Britton Chance生物医学光子学研究中心

飞秒激光得益于其精准、微创等优势被广泛应用于屈光疾病的治疗。在飞秒激光屈光手术中，光学系统的数值孔径是影响手术效果的重要参数。本研究旨在探讨数值孔径对飞秒激光角膜基质切削质量的影响规律，以帮助临床医生更好地选择合适的... 详细信息

飞秒激光得益于其精准、微创等优势被广泛应用于屈光疾病的治疗。在飞秒激光屈光手术中，光学系统的数值孔径是影响手术效果的重要参数。本研究旨在探讨数值孔径对飞秒激光角膜基质切削质量的影响规律，以帮助临床医生更好地选择合适的手术参数。选用0.16、0.30、0.80三种数值孔径进行离体动物角膜的飞秒激光切削实验，并通过气泡尺寸与凋亡细胞比例评估激光切削质量与基质细胞损伤程度。实验结果显示：气泡体积随着数值孔径的增大而减小，高数值孔径下切割更易实现基质层的分离；上述三种数值孔径下的基质细胞损伤比例分别为9.4%、4.9%和1.0%，基质细胞的损伤比例随着数值孔径的增大而明显下降。因此，增大数值孔径有助于提高飞秒激光角膜基质切削的安全性。

关键词：激光技术飞秒激光角膜数值孔径气泡细胞损伤

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碱基编辑系统的研究进展

生物工程学报 2024年第5期40卷 1271-1292页

作者：钟静丽林健香周建奎乔云波广州大学生命科学学院广东广州510006 上海交通大学医学院附属第九人民医院上海精准医学研究院上海200125

基于可编程核酸酶的基因编辑工具表现出编辑高效、产物纯度高、编辑副产物少的优势,已广泛应用于生物医药研发和作物育种。鉴于研究和应用的需求多样化,开发功能特异的碱基编辑器成为基因编辑领域的研究热点。目前由规律成簇的间隔短回... 详细信息

基于可编程核酸酶的基因编辑工具表现出编辑高效、产物纯度高、编辑副产物少的优势,已广泛应用于生物医药研发和作物育种。鉴于研究和应用的需求多样化,开发功能特异的碱基编辑器成为基因编辑领域的研究热点。目前由规律成簇的间隔短回文重复序列系统及相关蛋白(clustered regularly interspaced short palindromic repeats and CRISPR-associated, CRISPR-Cas)和转录激活因子类效应因子(transcription activator-like effector, TALE)系统衍生的基因编辑系统包括单碱基编辑器、双碱基编辑器、线粒体碱基编辑器和CRISPR相关转座酶系统等。本文全面梳理了碱基编辑系统的发展历程,总结了各类碱基编辑器的特点、脱靶效应、优化和改良策略等,为基因编辑系统的进一步改进和应用提供参考。

关键词：规律成簇的间隔短回文重复序列系统及相关蛋白9(CRISPR-Cas9) 碱基编辑器转录激活因子类效应因子(TALE)系统脱氨酶

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便携呼气振荡驱动的气道阻抗监测系统研究

生物医学工程学杂志 2024年第3期41卷 430-438页

作者：匡英烽车波李轩刘磊邓林红常州大学微电子与控制工程学院江苏常州213164 常州大学生物医学工程与健康科学研究院江苏常州213164 常州大学医学与健康工程学院江苏常州213164

气道阻抗的监测对肺功能疾病的准确评估及早期诊断具有重要临床价值。针对当前肺功能设备中振荡源系统体积大、功耗高等难以满足动态测量需求的问题,本研究采用可控呼气振荡与状态可视化反馈的新策略,设计了微型电磁振荡源、集成传感控... 详细信息

气道阻抗的监测对肺功能疾病的准确评估及早期诊断具有重要临床价值。针对当前肺功能设备中振荡源系统体积大、功耗高等难以满足动态测量需求的问题,本研究采用可控呼气振荡与状态可视化反馈的新策略,设计了微型电磁振荡源、集成传感控制电路和动态反馈系统,开发了一种结构轻巧、功耗低及带可视化状态反馈的气道阻抗监测系统。呼吸阻抗测量实验及统计对比结果表明,该系统可实现稳定的5 Hz气道阻抗测量,呼吸系统阻抗(R和X)频谱曲线与临床肺功能仪IOS的频谱曲线均具有较为一致的变化趋势,其差值均小于1.1 cm H_(2)O·s/L;运动与静息状态组的呼吸阻抗R5差异有统计学意义,且呼吸电抗X5的波动幅值较大,表明本系统能测量气道阻力参数的动态变异性。因此,本研究开发的阻抗监测系统支持受试者可手持移动、较长时间段内连续测量气道阻抗的动态变化,为进一步开发低功耗、便携化甚至可穿戴的动态肺功能监测设备提供了研究基础。

关键词：动态肺功能呼吸阻抗振荡源呼气正压可视化反馈

解脂耶氏酵母中Anillin家族蛋白的鉴定与功能

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中国生物工程杂志 2024年第4期44卷 14-22页

作者：邬欢吴浩明华中科技大学同济医学院附属武汉儿童医院武汉430016 武汉轻工大学生命科学与技术学院武汉430023

目的:鉴定解脂耶氏酵母中Anillin家族蛋白,探究其对Septin细胞骨架组织的调控功能。方法:将模式生物酿酒酵母Anillin家族蛋白Bud4序列在解脂耶氏酵母数据库中比对,找到潜在的Anillin家族蛋白;从解脂耶氏酵母基因组中扩增其序列,将其与... 详细信息

目的:鉴定解脂耶氏酵母中Anillin家族蛋白,探究其对Septin细胞骨架组织的调控功能。方法:将模式生物酿酒酵母Anillin家族蛋白Bud4序列在解脂耶氏酵母数据库中比对,找到潜在的Anillin家族蛋白;从解脂耶氏酵母基因组中扩增其序列,将其与绿色荧光蛋白(green fluorescent protein,GFP)融合表达,通过荧光显微镜观察其胞内定位;对酿酒酵母细胞中潜在的Anillin家族蛋白进行过量表达,观察其对细胞形态和Septin组织的影响,从而确定其调控Septin组织的功能。结果:通过解脂耶氏酵母数据库中序列比对,找到两个潜在的Anillin家族蛋白,分别将其命名为YlBud4A(数据库中蛋白编号YALI0D11880)和YlBud4B(数据库中蛋白编号YALI0B07623),其C端与该家族蛋白成员同源性高,含有保守的DUF1709和PH结构域;与酿酒酵母Bud4类似,YlBud4B可以定位在芽颈,在芽体较大细胞中呈明显的双环结构,而YlBud4A没有芽颈定位;在酿酒酵母细胞中过量表达YlBud4B导致细胞产生显著的芽体变长细胞形态,Septin的正常组织被破坏,在变长的芽体中呈圆形结构。结论:解脂耶氏酵母YlBud4B与Anillin家族蛋白在序列和功能上都具有同源性,其可以与Septin细胞骨架相互作用,在调控Septin组织过程中发挥功能。

关键词：解脂耶氏酵母 Anillin 细胞骨架细胞形态 Septin

5-羟色胺系统在应激损伤海马神经发生中的作用

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中国病理生理杂志 2024年第5期40卷 944-949页

作者：朱乐廖疏影曾燕梅宇飞武汉科技大学脑科学先进技术研究院湖北武汉430065 职业危害识别与控制湖北省重点实验室湖北武汉430065

应激在哺乳动物生长发育过程中普遍存在,对心理和生理有广泛的负面影响,可导致情绪和认知功能障碍^([1])。截止2020年,全球抑郁症的患病人数达到1.93亿,在新型冠状病毒肺炎疫情后,全球抑郁症的患病人数更是激增到2.46亿,增幅达到了276%^... 详细信息

应激在哺乳动物生长发育过程中普遍存在,对心理和生理有广泛的负面影响,可导致情绪和认知功能障碍^([1])。截止2020年,全球抑郁症的患病人数达到1.93亿,在新型冠状病毒肺炎疫情后,全球抑郁症的患病人数更是激增到2.46亿,增幅达到了276%^([2])。然而,基于应激类型多样、作用时间差异和个体耐受性不同等特征,应激反应的结果及生物学机制也各不相同。海马含有大量糖皮质激素受体,因此极易受到应激反应的影响。海马在解剖结构上可分为背侧、中间和腹侧。在功能上,背侧海马(相当于灵长类动物的后部海马)主要执行认知功能;腹侧海马(相当于灵长类动物的前部海马)主要执行情绪功能^([3])。

关键词： 5-羟色胺应激神经发生海马

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光固化自修复聚氨酯弹性体制备及性能

工程塑料应用 2024年第6期52卷 1-7页

作者：曹升何明辉余敏韩小瑜浙江科技大学生物与化学工程学院杭州310023

光固化弹性体因其独特的物理化学性质而被广泛应用于柔性传感器、电子皮肤、生物医学等领域。然而目前市售光固化弹性体强度低,受损后难以实现自修复,极大限制了该类弹性材料的承载能力和应用范围。为解决上述问题,以甘油聚醚多元醇和... 详细信息

光固化弹性体因其独特的物理化学性质而被广泛应用于柔性传感器、电子皮肤、生物医学等领域。然而目前市售光固化弹性体强度低,受损后难以实现自修复,极大限制了该类弹性材料的承载能力和应用范围。为解决上述问题,以甘油聚醚多元醇和异佛尔酮异氰酸酯作为分子结构中的软段和硬段,并以2-(叔丁基氨基)甲基丙烯酸乙酯(TBEMA)封端合成了具有动态受阻脲键(HUB)的聚(氨基甲酸酯)脲丙烯酸酯(PUUA)低聚物,然后将封端剂TBEMA作为稀释剂加入PUUA中以制备光敏树脂,通过探究PUUA预聚体和稀释剂比例对材料性能的影响,选出最优配比。之后将制备的光敏树脂进行3D打印,得到光固化自修复聚氨酯弹性体,并分析不同PUUA含量对弹性体性能的影响。结果表明,由于共聚物之间的共价交联及动态可逆和氢键等相互作用,当PUUA质量分数为50%时,弹性体表现出7.3 MPa的高拉伸强度和1 032%的断裂伸长率,并且在经历1 000次的循环加载试验后仍保持稳定的力学性能,断裂的拉伸试样在自修复10 h后拉伸强度的修复效率可达到86.6%。实验证明制备的弹性体具有优异的力学性能和出色的自修复能力,同时所具有的较低玻璃化转变温度使其可在低温环境下保持稳定的物理特性,显示了具有HUB的弹性体在柔性材料领域的潜在应用。

关键词： 3D打印自修复弹性体甘油聚醚聚氨酯