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深度学习赋能的高通量荧光显微成像技术

激光与光电子学进展 2024年

作者：周瑶费鹏华中科技大学光学与电子信息学院湖北省高端生物医学成像重大科技基础设施

显微镜的光学孔径和测量带宽的有限性限制了在观测生物体系的精细亚细胞结构动力学过程、活体超快瞬态生物学过程、以及介观离体组织的高效三维成像等应用中的信息获取，这一问题成为多领域生物医学研究的制约因素。传统荧光显微镜的局... 详细信息

显微镜的光学孔径和测量带宽的有限性限制了在观测生物体系的精细亚细胞结构动力学过程、活体超快瞬态生物学过程、以及介观离体组织的高效三维成像等应用中的信息获取，这一问题成为多领域生物医学研究的制约因素。传统荧光显微镜的局限性，促使研究人员着手探索新型荧光显微成像原理和方法。研究者们引入了人工智能手段，以提高荧光显微成像的速度和精度，从而增加信息获取的通量。本文以细胞生物学、发育生物学和肿瘤医学为视角，详细分析了通量限制在这些领域中的挑战。通过结合深度学习，突破了传统荧光显微成像的通量限制问题，为物理光学和图像处理领域的进一步发展提供了契机。这一创新助力于生物医学研究的推进，使科学家能够更全面、深入地理解生命和健康领域的复杂现象。因此，本研究不仅对生物医学领域具有重要意义，同时为未来的研究和应用提供了崭新的可能性。

关键词：荧光显微深度学习超分辨成像超快成像高通量成像

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光片荧光显微成像技术的发展及应用（特邀）

激光与光电子学进展 2024年第6期 310-317页

作者：周瑶费鹏华中科技大学光学与电子信息学院湖北省高端生物医学成像重大科技基础设施

近几十年来，光片荧光显微镜作为荧光显微技术的一种革新，显著提升了生命科学研究中对组织与细胞结构和功能的高时空分辨率成像能力。相较于传统的落射荧光显微技术，光片显微镜通过选择性逐层照明生物样本，大大提高了光子利用效率，... 详细信息

近几十年来，光片荧光显微镜作为荧光显微技术的一种革新，显著提升了生命科学研究中对组织与细胞结构和功能的高时空分辨率成像能力。相较于传统的落射荧光显微技术，光片显微镜通过选择性逐层照明生物样本，大大提高了光子利用效率，降低了光毒性，并显著提升了成像速度。光片显微镜问世以来，其在生命科学研究中的应用范围逐渐拓宽，从胚胎学、神经科学到肿瘤研究等多个领域均有所涉及，不仅可用于观察细胞和组织的基本结构，还可用于实时监测生物过程中的动态变化。同时，其跨尺度的特点使其适用于从宏观到微观的多个尺度上的观察。本文综述了光片显微镜在高通量成像、超分辨成像以及易用性方面的应用及发展，旨在为生命科学研究人员提供全面的了解和参考，推动光片显微镜在更多领域的应用和发展。

关键词：荧光显微成像光片荧光显微镜高通量成像超分辨成像

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光片荧光显微成像技术的发展及应用

激光与光电子学进展 2024年

作者：周瑶费鹏华中科技大学光学与电子信息学院湖北省高端生物医学成像重大科技基础设施

近几十年来，光片荧光显微镜作为荧光显微技术的一种革新，显著提高了生命科学研究中对组织与细胞结构和功能的高时空分辨率成像能力。相较于传统的落射荧光显微技术，光片显微镜通过选择性逐层照明生物样本，大大提高了光子利用效率，... 详细信息

近几十年来，光片荧光显微镜作为荧光显微技术的一种革新，显著提高了生命科学研究中对组织与细胞结构和功能的高时空分辨率成像能力。相较于传统的落射荧光显微技术，光片显微镜通过选择性逐层照明生物样本，大大提高了光子利用效率，降低了光毒性，并显著提升了成像速度。光片显微镜问世以来，其在生命科学研究中的应用范围逐渐拓宽，从胚胎学、神经科学到肿瘤研究等多个领域均有所涉及，不仅可用于观察细胞和组织的基本结构，还可用于实时监测生物过程中的动态变化。同时，其跨尺度的特点使其适用于从宏观到微观的多个尺度上的观察。本文综述了光片显微镜在高通量成像、超分辨成像以及易用性方面的应用及发展，旨在为生命科学研究人员提供全面的了解和参考，推动光片显微镜在更多领域的应用和发展。

关键词：荧光显微成像光片荧光显微镜高通量成像超分辨成像

中国光学十大进展:深度学习赋能的高通量荧光显微成像技术(特邀)

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激光与光电子学进展 2024年第14期61卷 1-8页

作者：周瑶费鹏华中科技大学光学与电子信息学院湖北武汉430074 高端生物医学成像省部共建重大科技基础设施湖北武汉430074

显微镜的光学孔径和测量带宽的有限性限制了生物应用中的信息获取,包括在观测生物体系的精细亚细胞结构动力学过程、活体超快瞬态生物学过程,以及介观离体组织的高效三维成像等,这一问题成为多领域生物医学研究的制约因素。传统荧光显... 详细信息

显微镜的光学孔径和测量带宽的有限性限制了生物应用中的信息获取,包括在观测生物体系的精细亚细胞结构动力学过程、活体超快瞬态生物学过程,以及介观离体组织的高效三维成像等,这一问题成为多领域生物医学研究的制约因素。传统荧光显微镜的局限性促使研究人员着手探索新型荧光显微成像原理和方法。研究者们引入了人工智能手段,以提高荧光显微成像的速度和精度,从而增加信息获取的通量。本文以细胞生物学、发育生物学和肿瘤医学为视角,详细分析了在这些领域中通量限制带来的挑战。结合深度学习,突破了传统荧光显微成像的通量限制问题,为物理光学和图像处理领域的进一步发展提供了契机。这一创新助力于生物医学研究的推进,使科学家能够更全面、深入地理解生命和健康领域的复杂现象。因此,本研究不仅对生物医学领域具有重要意义,而且为未来的研究和应用提供了崭新的可能性。

关键词：荧光显微深度学习超分辨成像超快成像高通量成像

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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51卷 247-253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湖北武汉430074 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天津300020

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... 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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高成本驱动下的CAR-T工艺发展趋势

中国生物工程杂志 2024年第7期44卷 49-57页

作者：陈珂玲曾顺泽许鹏超余艳冯慧玲李园转化医学国家重大科技基础设施(四川)生物制剂规模化制备中心、四川大学华西医院成都610041

近年来随着科学技术的飞速发展,嵌合抗原受体T细胞(chimeric antigen receptor-T cell,CAR-T)产品从分子设计到制备技术均取得了突破性进展,疾病治疗范围从血液系统肿瘤逐步扩大至自身免疫性疾病及实体瘤。然而,生产成本高、产能低是目... 详细信息

近年来随着科学技术的飞速发展,嵌合抗原受体T细胞(chimeric antigen receptor-T cell,CAR-T)产品从分子设计到制备技术均取得了突破性进展,疾病治疗范围从血液系统肿瘤逐步扩大至自身免疫性疾病及实体瘤。然而,生产成本高、产能低是目前CAR-T产品面临的最大现实问题,严重限制了其临床可及性。原辅料价格高昂、定制化生产导致的质检费用和公用设施设备投入无法摊薄、技术依赖下的高人力成本均是CAR-T产品成本居高不下的重要原因。对目前造成CAR-T产品高成本的具体因素及针对性解决方案进行分析,总结发展趋势,以期为CAR-T制备技术的降本增效提供一些参考和建议。基因转导工艺改良,特别是非病毒转导系统的开发、通用型细胞治疗产品的探究、国产自动化设备的布局,是未来CAR-T技术发展的重要方向。随着科研人员的持续攻坚,CAR-T产品成本下降将成为必然趋势,最终成为普通患者可及的“平民化”治疗药物,为重病患者提供更多治疗机会。

关键词： CAR-T 降本增效通用型CAR-T 自动化生产线细胞治疗

超速离心法和尺寸排阻色谱法对干细胞外泌体促血管生成及骨再生的影响

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中华骨与关节外科杂志 2024年第8期17卷 734-743页

作者：康琳黄岳刘福泽王海吴志宏中国医学科学院、北京协和医学院、北京协和医院临床医学研究所转化医学国家重大科技基础设施细胞、组织与生物医学工程平台北京100730 中国医学科学院、北京协和医学院、北京协和医院骨科北京100730 中国医学科学院、北京协和医学院、北京协和医院临床医学研究所转化医学国家重大科技基础设施干细胞平台北京100730

目的:比较超速离心法和尺寸排阻色谱法提取干细胞外泌体的产率、纯度、生物活性和促骨修复能力的差异。方法:采用超速离心法和尺寸排阻色谱法提取骨髓间充质干细胞外泌体,对外泌体的粒径、外观形貌和标志蛋白进行鉴定表征。采用二喹啉甲... 详细信息

目的:比较超速离心法和尺寸排阻色谱法提取干细胞外泌体的产率、纯度、生物活性和促骨修复能力的差异。方法:采用超速离心法和尺寸排阻色谱法提取骨髓间充质干细胞外泌体,对外泌体的粒径、外观形貌和标志蛋白进行鉴定表征。采用二喹啉甲酸(BCA)蛋白定量试剂盒测定外泌体中蛋白含量,并采用血管生成因子芯片对外泌体中成血管相关蛋白进行分析。采用划痕实验和小管形成实验评价外泌体体外促血管生成能力,进一步在大鼠骨缺损模型中评价外泌体对骨修复再生的效果。结果:单位体积上清液中,超速离心法所得外泌体(Exo-UC)质量低于尺寸排阻色谱法所得外泌体(Exo-SEC)质量。电镜下见Exo-SEC中杂质蛋白少于Exo-UC中的杂质蛋白。Exo-UC中检测到16种成血管蛋白,Exo-SEC中检测到的成血管蛋白种类和含量均少于Exo-UC。与Exo-SEC比较,Exo-UC能够显著促进血管内皮细胞迁移和小管形成,并显著提升大鼠骨缺损部位的骨体积百分比和骨矿物质密度。结论:超速离心法提取的干细胞外泌体促新生血管形成能力更强,骨修复效果更佳。

关键词：外泌体超速离心法尺寸排阻色谱法成血管骨再生

近红外二区荧光金纳米团簇用于生物医学光子学:进展与挑战

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中国激光 2024年第3期51卷 116-126页

作者：李丝雨田方正高笃阳胡德红郑海荣盛宗海居胜红东南大学智能影像与介入医学国家级重点实验室培育建设点江苏南京210009 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劳伯特生物医学成像研究中心医学成像科学与技术系统重点实验室广东深圳518055

近红外二区(NIR-Ⅱ)金纳米团簇(Au NCs)具有明亮的多色荧光、良好的生物相容性和可肾脏清除的特性,已成为当前生物医学光子学领域中备受关注的纳米材料。首先介绍了NIR-ⅡAu NCs的合成方法,讨论了其面临的低产率和缺乏规模化制备的问题... 详细信息

近红外二区(NIR-Ⅱ)金纳米团簇(Au NCs)具有明亮的多色荧光、良好的生物相容性和可肾脏清除的特性,已成为当前生物医学光子学领域中备受关注的纳米材料。首先介绍了NIR-ⅡAu NCs的合成方法,讨论了其面临的低产率和缺乏规模化制备的问题。其次,介绍了NIR-ⅡAu NCs的表面调控技术,讨论了调控团簇表面结构、组成和形态的方法,以及增大发光波长和提高荧光量子产率的方法。然后,总结了NIR-ⅡAu NCs在血管成像、淋巴管和淋巴结成像、肿瘤成像以及成像引导治疗等方面的最新研究进展。最后,讨论了NIR-ⅡAu NCs在生物医学光子学领域中面临的机遇与挑战。

关键词：生物光学金纳米团簇近红外二区荧光生物医学光子学生物成像成像引导治疗

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肝癌外泌体在肿瘤微环境细胞间通讯中的作用

四川大学学报（医学版） 2024年第1期55卷 6-12页

作者：冯唐杨欣蕊王琦为刘肖珩四川大学华西基础医学与法医学院生物医学工程研究室成都610041

肝细胞肝癌(hepatocellular carcinoma,HCC)是世界上最致命的癌症之一。由于HCC发病隐匿、进展迅速且缺乏有效的治疗方法,预后极差,其5年平均生存率低于10%。肿瘤微环境是HCC发生发展所处的内环境,可调节HCC的起源、发展、侵袭和转移。... 详细信息

肝细胞肝癌(hepatocellular carcinoma,HCC)是世界上最致命的癌症之一。由于HCC发病隐匿、进展迅速且缺乏有效的治疗方法,预后极差,其5年平均生存率低于10%。肿瘤微环境是HCC发生发展所处的内环境,可调节HCC的起源、发展、侵袭和转移。肝癌细胞在癌症进展过程中可以通过释放含有特异信号的外泌体调控肿瘤微环境中的肿瘤细胞、癌相关成纤维细胞、癌相关免疫细胞等不同细胞的生物学行为,进而促进癌症进展。然而,外泌体在这些过程中对具体细胞调控的确切分子机制和作用仍不清楚。本综述首先介绍了HCC微环境的组成和肿瘤微环境中外泌体的来源和特征以及力学因素对外泌体的影响。其次,本综述重点讨论了HCC外泌体对微环境中不同类型细胞的作用。我们看到,在包括肝癌在内的临床癌症治疗中使用外泌体作为载体仍然有许多必须克服的困难。首先,外泌体的同质性很难得到保证。其次,外泌体主要通过皮下注射给药,虽然这种方法简单易行,但吸收效率并不理想。第三,外泌体提取方法有限且效率低,因此难以大量制备外泌体。特别是对于外泌体介导的肿瘤免疫治疗,确保使用的外泌体数量足以引发有效的肿瘤免疫反应非常重要。随着鉴定、分离和纯化技术的改进,外泌体有望成功运用于早期HCC的临床诊断和肝癌的临床治疗中。

关键词：外泌体肿瘤微环境肝细胞肝癌细胞间通讯综述