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香港大學與德國大學合作 研製嶄新光纖激光顯微鏡: 無破壞性組織成像作醫療臨床應用

22-06-2020

香港大學與德國大學合作
研製嶄新光纖激光顯微鏡: 無破壞性組織成像作醫療臨床應用

2020年06月21日

香港大學(港大)電機電子工程系黃建業教授的研究小組與德國比勒費爾德大學合作,利用光纖技術研製嶄新的激光顯微鏡,為活細胞研究與臨床醫學應用帶來突破。

團隊研發的光纖激光顯微鏡具備高解析度,極高穩定性以及輕便可携等特質,使其適合作前沿的醫療臨床應用,例如在手術過程中標記腫瘤邊界令手術更爲精準。此項嶄新的技術已於《光:科學與應用》期刊中發表。

在活細胞研究中,研究人員利用光學顯微鏡監察腫瘤的生長模式,和藥物例如標靶藥如何影響不同類型的細胞,過程需使用螢光物質標記細胞樣本中的分子,使其發光可見,從而觀察細胞分子對藥物所產生的反應和分子之間的相互影響。然而,這些螢光物質本身對細胞分子會造成傷害或干擾分子的行為,也通常不適用於人體活組織研究。

無標記光學顯微鏡一直是生物醫學的前沿研究領域,今次研製的光纖激光顯微鏡,除了無需利用螢光物質標記即可得到細胞分子清晰的影像外,並利用了拉曼成像(Raman Imaging System)的方法,以光譜形式把不同層次特徵的細胞分子特異性呈現。

「我們利用光纖激光作為光學顯微鏡的光源,以替代傳統的固態激光,這是嶄新的構思。傳統的方式,激光需在長達數米的自由空間中被放大,因而儀器的體積非常龐大。而光纖激光,光通過玻璃纖維放大並傳輸,儀器設計變得輕巧緊湊,體積只是傳統固態激光儀的八分一到十分之一,目前無法使用的地方,例如手術室,以後都能應用上。」領導今次研究的黃建業教授說。

黃教授解釋,以往光纖激光並不適合於顯微鏡使用,因為與固體激光相比,光纖激光的功率較低,對主訊號(分子特異性的成像訊息)的傳遞也不夠强。團隊克服了多項艱巨的技術障礙,使用了兩台同步的光學諧振器(激光腔),它們具備短皮秒的脈衝(一皮秒等於一萬億分之一秒),能極大增強主信號的強度。

「我們面對的其中一個挑戰是如何控制這兩台激光,使不同波長的兩束光完全重合並同時照射到樣本上。兩束光在時間上需同步至皮秒精度,在空間上需重合至微米的精準度。」德國的比勒費爾德大學生物物理學家湯瑪斯.赫瑟教授說。

赫瑟教授相信新顯微鏡很有可能在未來幾年內作臨床應用,團隊已經與德國Evangelisches Klinikum Bielefeld醫院進行初步的合作研究,使用新顯微鏡分析肝臟組織樣本。

「我們的合作夥伴對這款新顯微鏡的功能亦感到驚訝。」赫瑟教授指出:「無標記顯微鏡可用於研究幹細胞如何發展成各種新型細胞。它還可以將腫瘤與正常組織分開而不被染色。我們也可以利用它來確定藥物的化學成份對心臟和肝臟的肌肉組織細胞及其他細胞中的分子所產生反應等。」

黃教授認爲,新技術將廣泛應用在生物醫學上,首先應用於腸道、消化系統等的内窺鏡檢查,用作檢測早期的腫瘤和病變。

「利用光纖激光成形,影像的清晰度可比傳統内窺鏡高100倍,更能穿透器官表層,反射較深層組織的狀況,而光源是利用無害的紅外綫可見光,不會對人體構成影響。長遠來説,由於它具備便携、無標記和無害的特質,臨床應用於外科手術中,除了可即時作病理檢測,還能標記腫瘤邊界,在腦科手術精確標示不同的部位等,方便作更精準的切割。」

論文的主要作者孔慈航博士說:「這台光纖激光顯微鏡的設計構思將成為可擕式顯微設備的參照。與傳統的固態激光顯微鏡相比,新型光纖激光顯微鏡明顯較易於操作且設計緊湊。由於不需要標記分子,它除了標本的製備效率更高之外,還避免了染色處理導致的毒性。」孔博士是黃教授指導下已畢業的港大博士研究生,現在是赫瑟教授的博士後研究員。

港大與比勒費爾德大學在生物醫學和健康技術方面的研究前沿,港大工程學院尤其專注在成像技術方面。今次成功研發新技術是雙方多年來密切合作的成果。研究得到香港研究資助局(研資局)與德國學術交流協進會合作的德國與香港聯合研究計劃、歐盟科研創新計劃 – 地平線2020(Horizon 2020)和Marie Sklodowska-Curie專案「DeLIVER」下的創新計畫、研資局、中國國家自然科學基金和創新科技基金的支持和資助。

 

物理學家湯瑪斯.赫瑟教授(左)和電機電子工程系黃建業教授(右)帶領研發光纖激光顯微鏡專案。
(a) 黃教授團隊研製的光纖激光(紅色方框內)顯微鏡系統。
(b) 商用激光源。
利用嶄新光纖激光(紅色方框內)顯微鏡成形的活體人體細胞的CARS和SRS圖像。
(a)(b) 同時獲得活骨肉瘤(U2OS)細胞的CARS和SRS圖像。
(c)(d) 活體鑒別原發性成肌細胞(PMD)的CARS和SRS圖像。

文章詳情:
High-contrast, fast chemical imaging by coherent Raman scattering using a self-synchronized two-colour fibre laser
Cihang Kong, Christian Pilger, Henning Hachmeister, Xiaoming Wei, Tom H. Cheung, Cora S. W. Lai, Nikki P. Lee, Kevin. K. Tsia, Kenneth K. Y. Wong and Thomas Huser
Light: Science & Applications volume 9, Article number: 25 (2020)
https://www.nature.com/articles/s41377-020-0259-2

 

文章來自: 香港大學

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