香港大学开发光纤激光显微镜为分析细胞分子和临床应用带来突破性进展

香港大学电气与电子工程系的Kenneth KY Wong教授领导的研究小组与德国比勒费尔德大学合作开发了一种紧凑型光纤激光显微镜,该技术为分析细胞分子和临床应用带来突破性进展。

新发明的显微镜产生的噪音远低于常规设计,而其紧凑稳定的特点使其适合在医院的手术室中使用。Springer Nature出版的《光:科学与应用》杂志介绍了这项创新。

香港大学开发一种光纤激光显微镜为分析细胞分子和临床应用带来突破性进展
新研发的光纤激光显微镜(红框示),将广泛应用于肠道等内窥镜检查。

在研究肿瘤的生长方式或药物如何影响不同类型的细胞时,研究人员必须了解细胞内的分子如何发生反应和相互作用。现代荧光显微镜可以做到这一点。但是,细胞标本中的分子必须用荧光物质标记才能使其可见,这会扭曲分子的行为。同样,用荧光标记物染色通常不适合于体内组织。无标记显微成像一直是生物医学研究中的一个热门话题。新发明的激光显微镜不需要荧光标记物就能获得清晰的细胞分子图像。

领导这项研究的Kenneth Wong教授说。”我们用光纤激光器作为光学显微镜的光源,取代传统的固态激光器,这是一个全新的概念。传统上,激光需要在几米的自由空间内放大,所以仪器非常大。而使用光纤激光器,光通过玻璃纤维进行放大和传输,仪器设计变得轻巧紧凑。体积只有传统固态激光仪器的八分之一到十分之一。

以前,光纤激光器不适用于显微镜,因为它们与固态激光器相比功能较弱且噪声很大。为了使用显微镜获得分子特异性成像,研究小组使用了两个同步的光学谐振器(激光腔),两者都具有皮秒短脉冲。该研究的一个挑战是如何控制激光器,使两束不同波长的光束同步,并在完全相同的时间和位置照射到标本上。

无标记显微镜可用于研究干细胞如何发展成各种新型细胞,及将肿瘤与正常组织分开而不被染色。除此之外,也可利用来确定药物的化学成分对心脏和肝脏的肌肉组织细胞及其他细胞中的分子所产生反应等,预计未来几年内可作临床应用。

新技术可以应用于很多生物医学领域,如肠道、消化系统的内窥镜检查等,检测早期肿瘤和病变。

无标记光学显微镜一直为生物医学的前沿研究领域,而今该团队研发的光纤激光显微镜,除无须利用荧光物质标记即可得到细胞分子清晰的影像外,并利用了拉曼成像(Raman Imaging System)的方法,以光谱形式把不同层次特征的细胞分子特异性呈现。相关显微镜利用光纤激光成形,影像的清晰度可比传统内窥镜高一百倍,更能穿透器官表层,反射较深层组织的状况,可以无破坏组织下作医疗临床研究。而且其极高稳定性以及轻便可携等特质,适合作医疗临床应用,例如在手术过程中标记肿瘤边界令手术更为精准。

研究人员说,现在显微镜的原型将作为制造便携式设备的基础。由于无需首先标记分子,与使用其他显微镜相比,标本的制备时间不长,而且可以避免标记引起的毒性。

香港大学和比勒费尔德大学都在生物医学和健康技术领域进行了开创性的研究,而香港大学的工程学院则特别专注于成像技术的研究。这项研究得到了由香港研究资助局和德国德国学术交流局共同发起的德国/香港联合研究计划的支持,该研究是欧盟在Marie Sklodowska-Curie Grant资助下的Horizo​​n 2020研究与创新计划,“ DeLIVER”,中国香港特别行政区研究资助局,中国国家自然科学基金会和创新技术基金的支持。

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