高立明
上海交通大学材料科学与工程学院
副教授
赵连城
上海交通大学材料科学与工程学院
中国工程院院士
1 系统原理和结构特点
图1 （a）光纤光扫描内窥镜结构示意图（双包层光纤用于激发和聚集） （b）探针结构示意图 （c）探针末梢外形像，由压电换能器管（PZT）、光纤扫描器和图像输入镜组成，套皮下管，外径2.4 mm[1]
采用双包层光纤和单光子带隙光纤，通过双光子荧光（TPF）和二次谐波振荡（SHG）成像技术研制成柔性全光纤3D（三维）非线性光扫描内窥荧光成像和光量子治疗一体化集成系统。利用“绿色荧光蛋白”（GFP）的发光效应，在活体细胞组织中观察和研究基因的分子生物学过程，无组织伤害性，通过观察发光效应分析细胞、分子、基因的活动，跟踪活体细胞内部和外部分子的实时变化，查明化学反应在细胞、组织之间的传递过程。实现以光学截面显示深层分辨活体细胞显微像，用非线性光学成像排除自发荧光干扰和焦外光损伤，使细胞自体荧光几乎不存在，图像清晰，以荧光信号示踪，在亚细胞层次进行活体观测，成像灵敏度高，无组织创伤，可多次重复在不同时间检测自身对照。在五分钟内实现快速扫描成像，并可在同一体内获得一定时间内的完整数据，减少个体差异，实现病灶的精确定位，连续观察，并能在分子量级探明疾病产生机制及特征，组织穿透力强、生物相容性强、发光性能稳定、靶向明确，活体组织穿透深度达到2 cm以上，稳定性超过48 h。
2 癌症早期诊断
利用“绿色荧光蛋白”（GFP）成像构成的分析检测系统，可定量分析目的基因的表达水平，通过基因的分子生物学分析，查明目的基因在肿瘤细胞内的位置和量的变化，可以照亮癌症早期肿瘤萌生的特征，观察有害细菌的生长，研究者如同在电视旁通过“现场直播”观察被标记蛋白的运动、定位、互动等。研究目的基因在肿瘤病发生的早期过程中的作用和分子机制，为肿瘤病检查上皮组织细胞和亚细胞达到适时鉴别，并可与高数值孔径的微型棱镜组合，达到细胞间的结构分析趋近本质，为光量子治疗奠定基础。
图2 吖啶橙橘状脑部组织深层分析双光子荧光像[2]
（a）深度10μm
（b）深度50 μm
（c）3D叠层双光子影像显示出从表层到底层细胞密度渐增
3 光量子治疗前景
介入性光量子治疗是采用特定的宽光谱强脉冲光照射病灶，通过新型靶向光敏物质，产生光化学作用，使光照下由基态激发所吸收的能量量子化有利于促进细胞再生。将分子内窥荧光成像和光量子治疗光纤器件形成一体化集成系统，将实现内脏器官癌症等重大疾病的早期检测，病灶的精确定位、靶向量子治疗与实时在线跟踪等功能一体化。
【注释】
[1]Yicong Wu, Yuxin Leng, et al.Scanning all-fiber-optic endomicroscopy system for 3D nonlinear Optical imaging of biological tissues[J].Optics Express, 2009, 17(10):7907–7915.
[2]Yicong Wu, Yuxin Leng, et al.Scanning all-fiber-optic endomicroscopy system for 3D nonlinear Optical imaging of biological tissues[J].Optics Express, 2009, 17(10):7907–7915.
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