心脑欣片

p style=" text-indent: 2em " strong 芯片(Chip) /strong 在电子设备中的使用由来已久。众所周知，这类电子芯片由集成电路组成，通过连线和半导体工艺被撮合在一起，不仅形状小巧，还能快速检测、储存或处理大量的数据，已成为手机、电脑、电视、车载多媒体系统等几乎所有电子设备的核心元件，是人类科技史上最成功的发明之一。 /p p 　　 strong span style=" color: rgb(255, 0, 0) " “生物化”的电子芯片 /span /strong /p p 　　近年来，在生物学及医学领域，一种更为神奇的生物芯片应运而生(图1)。它们的外表酷似电子芯片，却在普通芯片触及不到的生物学检测及临床治疗方面大显身手。有些种类的芯片甚至可以直接安置在人体内部，收集并检测人体内产生的生理信号，已成为分子生物学研究、疾病预防和治疗过程中常用的利器。美国前总统克林顿曾指出，未来，基因芯片将为我们一生中的疾病预防指点迷津。生物芯片的重要性及其在疾病诊断和治疗方面的地位可见一斑。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201908/uepic/0e890c3d-37cf-4e80-a5c0-861372297e57.jpg" title=" 1.jpg" alt=" 1.jpg" / /p p style=" text-align: center " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 图1：形形色色的生物芯片。图片来自网络 /span /p p 　　那么生物芯片究竟是何方神圣?又是怎样造福于人类的呢?从制造工艺的角度来讲，生物芯片可称为电子芯片“生物化”后的产物。与传统芯片(图2A)相比，生物芯片(图2B)仅保留了与之相同的硅底或玻璃底座部分，但在底座之上却不再是集成电路，而是固定核酸、蛋白质(图2C)等生物大分子，或细胞、组织等生物材料。虽然外形相似，但其功能及用途却发生了翻天覆地的变化。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 453px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201908/uepic/7e49bfd7-caac-4147-bbbb-9dbe30f6388c.jpg" title=" 2.jpg" alt=" 2.jpg" width=" 600" height=" 453" border=" 0" vspace=" 0" / /p p 　　 span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 图2：传统芯片与生物芯片的比较。A、用于电子设备的芯片外形。B、生物芯片外形。C、生物芯片结构示意图。其表面以核酸分子构成的称为基因芯片或DNA芯片，其表面以抗体等蛋白大分子构成的称为蛋白芯片。图片来自网络 /span /p p 　　 strong span style=" color: rgb(255, 0, 0) " 最先研发的基因芯片 /span /strong /p p 　　最早的生物芯片是以核酸片段为原料制作而成的“基因芯片”(Gene chip)，又叫“基因微阵列”(Gene microarray)，由美国Affymetrix公司于1996年率先研制并首先将其应用在基因测序方面。近几年，随着芯片技术的发展，蛋白芯片、细胞芯片、组织芯片等相继加入了生物芯片阵营。但迄今为止，基因芯片仍是开发最为成功、应用最为广泛的一类生物芯片。 /p p 　　此类芯片以双链DNA的碱基互补配对属性为工作原理，将大量(通常每平方厘米点阵密度高于400)单链、短片核苷酸(又名探针)固定于支持物上后与样品DNA进行孵育，样品中的DNA一旦与探针形成互补配对，就可以释放出荧光信号，被荧光探测仪所捕捉并转化成电子数据供计算机进一步进行分析。 /p p 　　虽然基因芯片的原理相对简单，但其强大的检测能力却不容置疑。在生物学家、软件工程师及材料学家的合力优化下，目前单个基因芯片可以同时、快速、准确地分析数以千计基因组信息。如今市场以及临床上应用广泛的基因诊断、癌症筛选均需要借助基因芯片完成。除此之外，基因芯片技术还在药物筛选、分子育种、司法鉴定、食品微生物检测、环境监测、国防、航天等许多领域大显身手，为科学家们从事生物类基础研究、临床上进行疾病诊断、治疗和防治，以及医学界筛选新型药物和进行药物基因组学等重要研究提供了核心技术平台。 /p p 　　 strong span style=" color: rgb(255, 0, 0) " 无可取代的蛋白芯片 /span /strong /p p 　　与基因芯片相比，蛋白芯片的应用虽不如基因芯片广泛，但在肿瘤标志物检测方面，仍具有无可取代的重要地位。蛋白芯片是以蛋白质(主要指抗体)代替DNA固定于芯片表面作为探针，检测蛋白溶液中可以被抗体探针识别的相应蛋白的技术。根据遗传学规律，基因表达的最终结果是相应蛋白表达。因此，在多数情况下，基因表达量的变化也与蛋白表达量成正相关。与基因芯片相比，这种蛋白芯片可供检测的通量、灵敏度虽然稍逊一筹，但抗体对蛋白识别的特异性却远大于DNA进行互补配对的特异性。因此，在诸如一些重要疾病(包括肿瘤)的鉴定，以及蛋白类靶向药物筛选方面，蛋白芯片由于具有基因芯片无法超越的准确性，其推广程度远大于基因芯片。 /p p 　　 strong span style=" color: rgb(255, 0, 0) " 新奇成员植入式芯片 /span /strong /p p 　　目前，随着生物科技的发展，以及各式各样的科研及诊疗需求，除了基因及蛋白芯片外，生物芯片家族中相继出现了许多更为新奇的成员，如芯片界的新星——植入式芯片。植入式芯片开发的时期较基因及蛋白芯片稍晚，但这并不妨碍它立刻展现出可以进行身份识别或活体检测的巨大优势，在生物类产品林立的今天仍具有广阔的开发潜力。与基因和蛋白芯片相比，这种植入式芯片的原理及使用方法稍显“惊悚”。植入式芯片，顾名思义，是一类需要通过手术、注射等外科手段将芯片植入人体或活体动物内部工作的设备。其测定对象也不再是从组织中提取出的DNA或蛋白质，而是芯片周围组织的生理情况，如神经元活动、血液指标等。除此之外，为了适应这些新的功能，植入式芯片的外形也发生了极大的改变，除了采集信息的核心部分，成品芯片内还增加了电池、天线及信号发射装置，体积却压缩得更为小巧。 /p p 　　最早开发的植入式芯片为一类简单的ID芯片，其芯片仅具有向扫描仪发射预先写入的信息、编号等单一功能，又被称为生物芯片转发器(biochip transponder)。这种ID芯片可以通过注射的方式被植入皮下，自1991年开始由世界各地的动物园陆续推广，主要用于标记并区分受保护的野生动物(相当于家畜身上的耳环、烙印或刺青)。由2000年开始，ID芯片的使用变得更加普及，在欧美等地许多国家都规定在宠物许可证上登记的宠物使用该芯片。这种ID芯片的外观是一枚胶囊状的玻璃管，管内分别含有一个带有数字信息的激光身份编码、一个天线和一个作为电容器的硅晶片。芯片可以通过配套的一次性注射器注入，并通过与之兼容的扫描仪激活并识别，通过向扫描仪发射无线电信号传递信息。 /p p 　　尽管ID芯片在动物中的应用十分普及，但关于ID芯片在人体中的应用仍存有较大争议。事实上，ID芯片技术本身已相当成熟，但在人体植入ID芯片带来的潜在伦理及安全问题是造成ID芯片无法普及的主要障碍。如有人提出在儿童体内植入这种ID芯片，可以方便家人在不慎遗失儿童后快速追踪，但如果此儿童的ID信号被犯罪分子跟踪的话，那么后果将不堪设想。也有人担心，这种提供他人行踪的技术可能会为犯罪分子作案提供便利。 /p p 　　因此，目前在人体中得到推广的主要是几种与疾病探查、治疗有关的植入式芯片。如对糖尿病患者而言，在餐前饭后刺穿手指采血并测量血糖指数是每个人都要忍受的痛苦(图3A和B)。而近年来，血糖芯片的问世已陆续为这些糖尿病患者带来福音。血糖芯片的个头小巧，可一次性植入皮下并长期、多次检测体液中的糖分变化(图3C)。该芯片仅为0.5× 2.0毫米大小，植入这种芯片既不会让患者感到不舒服，也使患者免除了日日采血的痛苦，是一项造福于人类的伟大发明。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 533px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201908/uepic/cc2f3353-a961-411e-b356-a12b02bb6ea3.jpg" title=" 3.jpg" alt=" 3.jpg" width=" 600" height=" 533" border=" 0" vspace=" 0" / /p p 　　 span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 图3：血糖芯片的工作原理。A和B、传统的穿刺法取血。C、新型血糖芯片的大小。图片来自网络 /span /p p 　　除血糖芯片外，还有另一类脑机芯片得到了科研人员的格外推崇。这类芯片主要通过植入大脑皮层接受脑电波等神经信号，并将脑电波信号上传至电子计算机设备(即脑机接口技术)，是一项具有广阔前景并引发人无限遐想的高科技技术。脑机接口的过程非常复杂，其全套技术至今仍处在开发阶段。2016年，俄亥俄州立大学研究人员为一位24岁的全身瘫痪的男孩Ian Burkhart通过手术在大脑皮层内植入了这种脑机芯片，它们能在大脑内采集运动相关的神经信号，并将数据传输到神经辅助装置进行“解码”。计算机会将“解码”后的指令发送给绑在手臂上的电极，通过刺激肌肉来实现手臂运动。通过训练，Ian Burkhart最终得以实现通过芯片传输控制手的抓举和一些日常动作。 /p p 　　生物芯片的发展自上世纪90年代开始起步，如今仍属于生物领域的前沿学科。可以预见，在21世纪，生物芯片的应用及新技术的开发仍然将会给整个生物领域持续带来新的变革。可喜的是，在大多数芯片技术应用方面，我国生物芯片技术的发展都紧跟国际前沿，其产业化水平也有大规模提升。虽然目前我们仍面临众多技术难题，但随着我国科研力量的不断增强，以及产业化的深入，生物芯片产业将有希望成为21世纪最大的产业之一。 /p

一个由工程师、外科医生和医学研究人员组成的团队发布了来自人类和大鼠的数据，证明一种新的大脑传感器阵列可直接从人脑表面记录电信号，并实现破纪录的细节处理。该大脑传感器具有密集网格，由1024或2048个嵌入式皮质电图（ECoG）传感器组成。如果获准用于临床，传感器将直接从大脑皮层表面为外科医生提供大脑信号信息，且分辨率比目前可用的高100倍。该论文于19日发表在《科学转化医学》杂志上。　　人的大脑总是在运动，例如，随着每一次心跳，大脑会随着流过它脉动的血液而发生活动。从直接放置在大脑表面的传感器网格记录大脑活动，已经被外科医生普遍用作一种工具，用来切除脑肿瘤和治疗对药物或其他药物无反应的癫痫症。　　此次新研究提供了广泛的同行评审数据，证明具有1024或2048个传感器的网格可用于可靠地记录和处理直接来自人类和大鼠大脑表面的电信号。相比之下，当今手术中最常用的ECoG网格通常具有16到64个传感器。　　能够以如此高分辨率记录脑信号，可提高外科医生尽可能多地切除脑肿瘤的能力，同时最大限度地减少对健康脑组织的损害。对于癫痫，更高分辨率的脑信号记录能力可提高外科医生精确识别癫痫发作起源的大脑区域的能力，这样就可在不接触附近未参与癫痫发作的大脑区域的情况下移除这些区域。通过这种方式，这些高分辨率网格可以增强正常功能脑组织的保存。　　研究团队表示，此次能以更高的分辨率记录大脑信号，归因于他们能够将单个传感器放置得更靠近彼此，而不会在附近的传感器之间产生干扰。例如，该团队的3厘米×3厘米网格和1024个传感器直接记录了19名志愿者的脑组织信号。在这种网格配置中，传感器彼此相距一毫米。相比之下，已经批准用于临床的ECoG网格通常具有相距1厘米的传感器。这为新网格提供了每单位面积100个传感器，而临床使用的网格每单位面积1个传感器。　　该项目由加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院领导，团队其他成员来自马萨诸塞州总医院和俄勒冈健康与科学大学。该团队正在研究这些高分辨率ECoG网格的无线版本，可用于对顽固性癫痫患者进行长达30天的大脑监测。

人工智能技术的发展浪潮极大地改变了人类的生产生活方式，对当前人类文明的各个领域产生了深刻的影响，并且还将持续深入地影响下去。但人工智能技术依靠大算力的支撑，随着技术的爆炸式发展，它对大算力的需求也节节高升。然而，现有的算力短缺与庞大的算力需求之间形成了越来越突出的矛盾。芯片作为算力的物质载体，面临着急需攻克的挑战。如何加快研制高算力、高能效的芯片，解决庞大的算力缺口，实现算力的大幅提升，是当前的硬件技术需要解决的迫切问题，也是卡住人工智能技术发展速度“脖子”的核心问题。日前，清华大学集成电路学院教授吴华强、副教授高滨团队基于存算一体计算范式，研制出全球首颗全系统集成的、支持高效片上学习（机器学习能在硬件端直接完成）的忆阻器存算一体芯片，在支持片上学习的忆阻器存算一体芯片领域取得重大突破，有望促进人工智能、自动驾驶、可穿戴设备等领域发展。相关成果以“面向边缘学习的全集成类脑忆阻器芯片”（EdgeLearning Using a Fully Integrated Neuro-Inspired Memristor Chip）为题在线发表在最新一期的《科学》上。图源：unsplash什么是忆阻器芯片呢？据介绍，忆阻器（Memristor）是继电阻、电容、电感之后的第四种电路基本元件。在忆阻器芯片发明之前的传统芯片都是基于冯诺依曼模型的，它将存储器和处理器分开，并通过数据总线进行连接，需要在处理器和内存之间来回移动数据。这种存算分离带来的高能耗和高延迟、低隐私和低安全性、低适应性和低鲁棒性，成为制约算力提升的一大挑战。为了解决这些问题和挑战，一种新的计算范式被提出，即存算一体计算范式。存算一体计算范式是指将存储器和处理器集成在一个芯片上，并利用存储器本身的物理特性来进行计算。这样就解决了传统计算架构范式的不足。图源：unsplash存算一体计算范式的关键是存储器本身就具有计算功能，为了实现这一点，一种新型的存储器件被发明，这就是忆阻器。忆阻器是一种像人脑神经元一样具有记忆功能的电阻器，在断电之后，它仍能“记忆”起之前通过的电荷。它是电子学领域的一项重大突破，在数据存储、计算、加密和通信方面都表现出了巨大的潜力。自 2012 年以来，清华大学钱鹤、吴华强、高滨团队从研发忆阻器件、原型芯片起步，一步步发展到系统集成、计算理论，研制出全球首颗全系统集成的、支持高效片上学习的忆阻器存算一体芯片，所有与学习相关的计算均在该芯片上完成。图源：unsplash硬件实测结果显示，该芯片包含支持完整片上学习所必需的全部电路模块，在涉及图像分类、语音识别、控制任务的多个片上学习任务中，该芯片的能耗仅为先进工艺下专用集成电路（ASIC）系统的3%，同时有望实现75倍的能效提升，还能够有效保护用户隐私和数据。展示出高适应性、高能效、高通用性、高准确率等特点，极具满足人工智能时代高算力需求的应用潜力。

帕金森病（PD）和阿尔茨海默病（AD）是由基因、环境和家族因素相互作用引起的神经退行性疾病。值得注意的是免疫系统对疾病发展的影响，脑部驻留的小胶质细胞的功能障碍，会导致神经元的丧失和症状加剧。研究人员通过神经免疫系统模型来更深入地了解这些神经退行性疾病的生理和生物学方面以及它们的发展过程。不列颠哥伦比亚大学的Stephanie M. Willerth教授团队和英国诺丁汉特伦特大学的Yvonne Reinwald教授团队于2024 年 1 月 23 日在《Journal of Neuroinflammation》（影响因子：9.3）杂志上发表了题为“Modeling the neuroimmune system in Alzheimer’s and Parkinson’s diseases”的综述，介绍了神经免疫系统在三维模型和器官芯片系统方面取得的进展，以及模型在准确模拟复杂的体内环境方面的巨大潜力。 研究背景阿尔茨海默病（AD）是老年人中最常见的痴呆类型，与淀粉样斑块和磷酸化Tau蛋白的异常积累有关，虽具体原因尚不完全清楚，但与遗传和环境因素相关，诊断及早干预至关重要。帕金森病（PD）是一种神经系统疾病，主要表现为运动障碍，与聚集的α-突触核蛋白（α-syn）沉积物Lewy小体有关，相关基因变体也与其发病风险增加有关。尽管PD的确切原因尚不清楚，但其发病机制可能涉及多巴胺能神经元功能障碍以及氧化应激、线粒体功能受损、蛋白质代谢异常和神经炎症等多种因素。图1：阿尔茨海默病和帕金森病的病理生理学。 中枢神经系统（CNS）过度炎症的特征包括多种因素共同促进疾病进展，其中包括各种抗炎与促炎细胞因子的失调、CNS内小胶质细胞等免疫细胞的表型转化，以及外周细胞的巨噬细胞和淋巴细胞的招募，这些因素均导致突触丧失，成为随后认知功能障碍的最常见病理相关因素。图2：健康与病理神经免疫系统的比较:在健康的神经免疫系统中(1)小胶质细胞处于稳态和监视状态，(2)外周免疫细胞向中枢神经系统的浸润有限。在病理性神经免疫系统中：(3)小胶质细胞反应性增强，形态改变，(4)吞噬作用增加，(5)炎症标志物增加，(6)外周免疫细胞浸润增加。 研究进展1、目前阿尔茨海默病和帕金森病的治疗和临床试验针对AD，乙酰胆碱酯酶是一个常见的药物靶点，近期研究专注于开发单克隆抗体等药物以减少Aβ负荷，如lecanemab和aducanumab。此外，针对AD的临床试验正在进行中，旨在测试药物、设备和行为以改善患者认知和减缓疾病进展，而对于PD，则主要以药物和深部脑刺激为主要治疗手段，同时也在研究新的免疫调节治疗方法。 2、阿尔茨海默病、帕金森病和免疫系统的体外免疫系统模型癌症免疫系统的研究已经取得了许多成果，其中包括对3D模型的发展，这对于疾病建模和药物筛选至关重要，尤其是针对新的化疗药物和人工组织的开发。一种体外建模方案是使用细胞系，最常用的是SH-SY5Y人类神经母细胞瘤细胞系，模拟未成熟的儿茶酚胺能神经元，并可通过暴露于神经毒素或基因修饰来模拟AD或PD。然而，SH-SY5Y存在缺乏确立的培养维持程序、实验结果不一致和细胞生长的可变性等缺点，且不表现出成熟神经元的电生理和电化学特征。利用诱导多能干细胞（iPSC）创建基因准确的AD和PD模型，成为一个快速发展的研究领域，这些模型可以通过体细胞来源的iPSC诱导后，生成神经元与免疫细胞，用来构建AD和PD模型。图3：神经免疫系统的体内和体外模型的优缺点。 3、器官芯片模型在神经免疫系统研究中的新进展器官芯片平台的出现为建立体外模型提供了增强的设计和控制能力，能够模拟生物、生化、生理和机械现象，在活体器官系统中的发生。从血液-脑脊液屏障微流控模型到脑芯片模型，研究者们不断探索着复杂的生理学建模，为深入分析神经免疫相互作用提供了新的可能。这些模型不仅揭示了神经炎症在神经退行性疾病中的重要性，还为治疗干预提供了潜在途径，为了解AD和PD的潜在机制提供了宝贵的见解。同时，脑芯片模型被广泛应用于研究神经血管相互作用和神经退行性的不同方面。通过模拟神经-胶质-血管相互作用，研究人员发现了柴油排放颗粒等外源因素对AD类疾病病理特征的影响。这些研究不仅强调了神经免疫特异性行为的重要性，还突显了人类细胞模型在理解神经退行性疾病方面的关键作用。然而，尽管研究对细胞间相互作用和人类细胞模型的依赖日益增加，但对于AD和PD潜在机制的理解仍然相对有限。图4：芯片上器官的发展:示意图显示了开发和制造微流控芯片所需的步骤 先进的免疫细胞相互作用在AD和PD病理中至关重要，调节其功能可能为更有效的治疗提供希望；器官芯片模型具有模拟复杂细胞相互作用的优势，有助于深入了解AD和PD疾病机制并发现新的治疗策略。 文献索引：Balestri W, Sharma R, da Silva VA, Bobotis BC, Curle AJ, Kothakota V, Kalantarnia F, Hangad MV, Hoorfar M, Jones JL, Tremblay MÈ , El-Jawhari JJ, Willerth SM, Reinwald Y. Modeling the neuroimmune system in Alzheimer's and Parkinson's diseases. J Neuroinflammation. 2024 Jan 23 21(1):32. doi: 10.1186/s12974-024-03024-8. PMID: 38263227 PMCID: PMC10807115. 关于艾玮得生物作为一家专注于人体器官芯片及生命科学设备研发与生产的创新科技公司，艾玮得器官芯片应用全场景解决方案已能够全面覆盖新药研发评价、临床药敏检测、基础科学研究等应用领域，为科研、临床、药企等客户提供一站式解决方案。

高仿生人体器官模型的迫切性长久以来，人们对人体器官在复杂环境中如何形成和发育以及疾病发作后的影响一直充满好奇。然而，目前我们对这些问题的理解主要依赖于传统的细胞培养和动物模型，受到物种差异以及器官结构和功能差异的限制。因此，迫切需要建立高度仿生的人体器官模型，以广泛应用于生物研究、疾病建模、药物筛选和个性化医学等领域。 南通大学的李栋教授团队2024年1月1日在《Theranostics》（影响因子：12.4）杂志上发表了题为“Human organoids-on-chips for biomedical research and applications”的综述。向读者介绍了如何将各种学科与OrgOCs结合，加速转化应用，以及在生物医学研究和应用中OrgOCs所面临的挑战和机遇。 人类器官芯片/人类器官技术/器官芯片的区别人类器官芯片（OOCs）是体外构建的人类微生理系统，通过微流控灌注培养装置（如原代细胞、细胞系和干细胞）复制活体器官的结构和功能单位。OOCs可独立控制或高度耦合多种微环境因素，如动态流体、机械刺激、3D拓扑结构、氧梯度和分隔空间，以模拟人体本地器官的生态位。这些特点可引导细胞形态发生和功能器官的形成。 人类器官技术（HOs）是源自人类多能干细胞（PSCs）或成体干细胞（AdSCs）的3D多细胞组织结构，通过自组装可以重现人体器官的生理结构和功能。PSCs衍生的HOs需要按照干细胞的顺序分化设计原则进行构建，而AdSCs衍生的HOs形成相对简单，无需引导通过胚层。 器官芯片（OrgOCs）是结合HOs和OOCs两项前沿技术的高度仿生体外模型，广泛应用于药物开发、疾病建模和精准医学。 OrgOCs在生物医学应用中的进展 器官发育OrgOCs平台用于人体器官发育的生物学研究。（A）人脑器官芯片揭示了脑部发育过程中的物理机制和内在细胞行为。（B）具有代表性体内样曲线形态和蠕动特征的人结肠肿瘤器官芯片系统。（C）具有类似隐窝的微通道芯片，诱导肠道类器官的形态发生，包括可灌注的迷你肠道管，近似生理空间排列的肠腔，类似隐窝的区域和类似绒毛的结构。该研究证明了器官发育中空间限制的重要性。（D）基于微流体的3D载体在更生理的微环境中促进了胰岛类器官的分化和成熟。（E）在OrgOCs反应器中，流体能够促进脑类器官中的细胞增殖并减少细胞凋亡。 血管化用于生物学研究中血管化的 OrgOCs 平台。（A）血管化胎盘样类器官的形成类似于微流控芯片平台中孕早期人类胎盘发育。（B）间质流动可以扩大内皮祖细胞的内源性库，并增强hiPSCs来源的肾脏类器官的血管形成和成熟。（C） 将功能性神经血管大脑类器官植入芯片上，通过共培养吸附性内皮细胞诱导血管生成。（D） 具有灌注微血管系统的类器官使用可定制的 IFlowPlates 重建了单核细胞浸润到循环系统中结肠类器官的过程。 免疫应答 细胞间通讯OrgOCs平台，用于探索生物学研究中的器官间通讯。（A）结肠活检衍生的肠道类器官芯片显示母乳低聚糖在调节免疫功能和肠道屏障方面的潜在能力。（B） 多类器官芯片平台在循环灌注系统中概括了人肝-胰岛轴。（C） 应用高通量微流控装置中的串联伤口肝脏、胃和肠道类器官模型来评估药物代谢和胆汁酸诱导的调节。 器官芯片的应用 疾病模型1、内源性成分原因2、无机污染物暴露3、病毒感染用于疾病建模的 OrgOCs 平台。（A） 患者来源的胰腺导管类器官芯片可以概括囊性纤维化相关疾病，并检查胰腺导管上皮细胞和胰岛之间的细胞间功能相关性。（B）与游离脂肪酸相比，hiPSCs的肝脏类器官表现出与脂肪性肝炎相关的典型病理特征。（C） 重金属镉暴露可能导致早熟、持久的神经分化和大脑类器官发育中的长期神经毒性。 精准医疗1、药代动力学研究2、药物安全性评价OrgOCs平台，用于评估精准医疗中的药物代谢和安全性。（A）抗癌药物与肠道类器官芯片首过代谢的概括。（B） 允许使用肝-心类器官芯片来探索氯米帕明的肝脏代谢依赖性心脏毒性。 药物筛选用于精准医疗药物筛选的 OrgOCs 平台。（A） 通过与微阵列芯片设备偶联，在传代 0 处生成了数百个由临床标本产生的肺癌类器官。（B）巢式阵列芯片平台培养患者来源的结直肠癌类器官，用于高通量药物筛选。（C）一种用于药敏试验的一站式微流控肺癌类器官培养装置。（D） 一种类器官芯片系统，该系统具有自动化控制器，通过流体连接的面包板与模块化多传感器（例如，物理、生化和光学传感器）单元相结合，用于自动评估类器官在长时间内对药物的治疗反应。（E） 采用基于人类 hiPSC 的视网膜类器官芯片模型在制药环境中测试不同类型 AAV 载体基因治疗的转导效果。 目前，大多数人体器官已经在微流控芯片上重新创建，包括肠、脑、肾、肝和胰岛，具有接近体内器官的生理特性。为了实现多器官的系统相互作用、长期稳定的共培养，将可编程动态流量应用于连接多器官模块的微流控系统，以精确模拟体内血液循环。 OrgOC模型还可以高通量、高仿生性状的方式应用于药物筛选和药敏检测，这在传统的细胞和动物模型中是无法实现的。患者来源的个性化类器官芯片可以模拟患者的合并症并给出特定的药物选择，包括优化的药效、最小的毒性，甚至是最佳的给药途径，以及用于靶向I期临床试验的最佳给药方案。此外，细胞治疗和基因治疗也体现了OrgOC平台的实际应用价值，可以加速疾病治疗的进展。

量子计算的前景令人期待，它在基础科学研究、新材料和药物研发、类脑人工智能技术开发等领域有潜在应用价值。　　中国科学院物理研究所固态量子信息与计算实验室研究员范桁、副研究员许凯，与中国科学院物理研究所量子计算研究中心研究员郑东宁、副主任工程师相忠诚等合作，研发出超40比特的一维超导量子芯片，以战国时期思想家和哲学家庄子命名，利用其成功模拟了“侯世达蝴蝶”能谱以及各种新奇拓扑零模式。相关研究成果近日发表于《物理评论快报》。　　“庄子”芯片诞生记　　在科学家看来，大规模的量子计算正朝着实用化的方向发展，要想实现实用化，需要操纵精确、比特数多、相干时间长、效率足够高。在这个过程中，量子芯片的设计、制备、测控都至关重要。　　相忠诚长期从事超导量子芯片制备，他告诉记者，与传统芯片相比，量子芯片对外界环境的扰动非常敏感。　　“量子芯片是一种非常脆弱的系统，稳定时间非常短，在芯片上运行量子算法就好像是在夏日里堆雪人，需要足够的速度，赶在雪融化前把雪人堆出来。通常超导量子芯片的相干时间大约在几十微秒量级，这意味着量子效应维持的时间只在一瞬，要在很短的相干时间尺度内精确执行完量子算法是比较困难的。”相忠诚解释道。　　借助中国科学院物理研究所位于北京怀柔的综合极端条件实验室的超导量子计算实验平台，郑东宁与相忠诚在器件设计和制备实践中反复摸索思考，不断改进和优化器件的设计方法和制备工艺，完成了43比特一维超导量子芯片的设计和制备，芯片中整体比特参数与设计值一致，总体退相干时间、制备良品率、量子状态易读性等都得到了大幅提升。部分比特退相干时间达到百微秒量级。　　在最新发表的研究中，他们设计并构建了多达41个量子比特的对角AAH模型的各种实例，并应用动态光谱技术实验测量了著名的“侯世达蝴蝶”能谱。由于对角AAH模型的拓扑特性，出现了“翅膀形状”的能隙，整个能谱图看起来就像一只翩翩起舞的蝴蝶，研究人员不禁联想到庄周梦蝶的故事，这也是该量子处理器名字的由来。　　因为“庄子”处理器拥有足够多的量子比特，有限尺寸效应的影响被极大地抑制，“蝴蝶”身体细节中的分形结构和能带的分裂被清晰展示了出来。　　零下200多摄氏度的实验　　量子芯片是第一步，利用多个超导量子比特模拟各种量子效应也是当前人们关注的前沿研究。　　量子芯片只有指甲盖大小。拿到芯片后，许凯和团队成员立刻开始对芯片进行测控，并开展量子模拟实验。　　许凯告诉记者：“量子模拟，就是通过调控量子芯片构建一些重要的多体模型，实现对真实物质或材料体系的各种新奇物理特性进行仿真和计算，以解决能源、材料等领域的一系列重要问题。”　　超导量子计算芯片需要在极低温环境中工作，以避免热量（噪声）对量子态的干扰。　　研究人员将芯片封装进盒子中，并放入稀释制冷机中降温至10mK，制冷机的温度比绝对零度（零下273.15℃）仅高了0.01℃，这种极低的温度可以使芯片转变为无损的超导态并有效抑制芯片周围的环境噪声和热噪声，从而呈现量子效应，让科研人员更好地操控量子效应。　　操控芯片的过程并不轻松。在实验室，数十台仪器微波脉冲信号与“芯片”相连，研究人员在自己开发的软件平台上编写程序控制仪器，对芯片发出“指令”，从而“操控”芯片。“指令”发出的时间达到了纳秒级。　　“我们要非常精细地优化每个量子比特的调控参数和它们之间的相互作用，这个过程需要准备两个月。”许凯说，通过使程序实现自动化参数搜索，进行自动化操控，未来的研究会更加高效。　　由于“庄子”量子处理器超过40个量子比特，这足以让研究人员在这个重要的一维量子多体系统复杂的能带结构中捕捉到大量拓扑特征。使用由高度可控的Floquet（周期驱动）调控技术辅助的超导量子处理器，研究人员提出了一种通用混合量子模拟方法来探索含噪声中等规模量子时代的量子拓扑系统。　　前景广阔 需要人才　　许凯和相忠诚及其所在团队长期致力于超导量子计算、量子模拟、量子器件制备等方面的实验研究，并取得了许多领先的成果。在他们看来，量子计算前景广阔，未来还有很长的路要走。　　“虽然目前量子芯片只能完成一些特定任务，而且还未达到超越经典计算的量子优势，但是通过量子模拟的实验可以积累各种操控技术、探索和展示量子计算的各种应用场景，这对未来量子计算机的实现和应用都是非常有价值的。”许凯说。　　在许凯看来，我国在量子计算方面与国际上最好的团队相比还存在一定的差距。量子计算是一个交叉学科，需要各方面的人才，他们期待新鲜血液加入量子团队。　　“我们虽然需要建立全方位的生态，但还要尊重科学发展的自然规律，在加快实验节奏的同时不能操之过急。”许凯说。

近日，清华大学电子工程系黄翊东教授课题组的副教授崔开宇、博士生熊健、博士后蔡旭升等人的论文《基于可重构超表面的实时超光谱成像芯片及动态脑光谱获取》（Dynamic brain spectrum acquired by a real-time ultraspectral imaging chip with reconfigurable metasurfaces）于美国光学学会旗舰期刊Optica上发表。光谱是物质的指纹，实时光谱成像可获取成像视场内各像素点的动态光谱，将为人工智能及感知技术开拓一个新的信息维度，在诸多领域有着巨大的应用需求。本工作研制成功了国际首款实时超光谱成像芯片：提出基于图像自适应的可重构超表面超晶胞，通过超表面单元结构的空分复用，解决了计算光谱难以兼顾频谱分辨率和空间分辨率的局限；在实验上成功制备出的国际首款实时超光谱成像芯片，将单点光谱仪的尺寸缩小到百微米以下，空间分辨率超过15万像素，即在0.5 cm2芯片上集成了15万个微型光谱仪，可快速获得每个像素点的光谱，工作谱宽450-750nm，分辨率高达0.8nm；使用实时超光谱成像芯片首次测量了活体大鼠脑部血红蛋白及其衍生物的特征光谱的动态变化，时间分辨率可达30Hz，可进一步利用神经血氧耦合的机制得出脑部神经元的活跃状态。作为一种非侵入式的检测手段，展示出光谱成像芯片在实时传感领域的巨大潜力。相关工作已创立成果转化企业“北京与光科技有限公司”。Jian Xiong†, Xusheng Cai†, Kaiyu Cui†*, Yidong Huang, Jiawei Yang, Hongbo Zhu, Wenzheng Li,Bo Hong, Shijie Rao,Zekun Zheng, Sheng Xu, Yuhan He, Fang Liu, Xue Feng, and Wei Zhang, "Dynamic brain spectrum acquired by a real-time ultraspectral imaging chip with reconfigurable metasurfaces," Optica 9,461-468 (2022)

近日，中国水产科学研究院质量与标准研究中心（农业农村部水产品质量安全控制重点实验室）吴立冬副研究员及其研究团队研发出一种应用于原位快速检测水产品中多巴胺的可再生生物传感器，实现了鱼类脑部皮层区域神经元的多巴胺连续原位监测。该研究成果以“Regenerative Field Effect Transistor Biosensor for in Vivo Monitoring of Dopamine in Fish Brains”为题，发表在电化学传感器顶级期刊《Biosensors and Bioelectronics》（中科院1区top期刊，IF: 10.257）上。人工智能、物联网和脑机接口等领域的快速发展，刺激着相关领域对原位智能再生传感器设备的需求，尤其是监测生物体中重要理化参数的传感芯片。目前，可再生场效应晶体管(FET)生物芯片在该领域具有巨大的应用前景，经靶特异性受体修饰的FET可以快速检测生物活性分子。鉴于此，我们研制了一种磁控灵敏度且可再生场效应晶体管(FET)生物芯片实现原位检测鱼脑中多巴胺。该芯片具有以下明显优势：第一，通过调控外界永磁铁的磁场高度，实现了调节控制生物芯片的灵敏度和检测限，为生物芯片定制化服务提供最优工艺解决方案。第二，通过去除永磁体即可实现生物芯片传感器的再生，降低了生物芯片的生产使用成本，为硅基生物芯片再生提供了可靠技术方案。结果表明，本生物芯片传感器具有优异的灵敏度和选择性，其线性范围1 μmol L−1 ~ 120 μmol L−1，最低检出限为3.3 nmol L-1，经过15次再生处理后仍具有良好的稳定性，成功应用于活体鱼类脑部多巴胺的实时在线监测。本研究开发出的磁控生物芯片传感器是全球首个通过永磁体在线远程控制灵敏度和检测限的生物传感器，为鱼脑质量安全评价提供坚实的技术支撑。该芯片优异的检测性能、可重复利用和生产成本低廉等优势，赋予该芯片在原位检测动物脑部生物活性分子方面的广阔应用前景。在前期研究中，吴立冬团队与魏淑华团队合作，开发了基于碳管及二维黑磷的核酸适配体场效应晶体管生物芯片（Analytica Chimica Acta, 2020；Analytica Chimica Acta, 2021）；进一步搭建了多功能磁性材料合成平台（本专利技术已许可给公司生产），研制了磁控场效应生物芯片传感系统。硕士研究生刘娜为论文第一作者，质标中心吴立冬副研究员论文通讯作者。（全文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2021.113340 ）。此项工作得到了中央公益性科研机构基础研究基金（2020GH09）和（2020TD75）的支持。图1 场效应晶体管源极到漏极通过磁控Fe3O4@AuNPs纳米粒子形成磁桥图2 生物芯片原位监测鱼脑中化学信号分子

在脑外科手术中，医生的眼睛在显示屏和病人间来回穿梭会影响他们的专注力。据《新科学家》杂志网站11月7日报道，英国几个大学和医院的科学家合作开发出一种激光探测仪，能把脑细胞光谱信号转换成音频，让医生通过“听”来辨别癌细胞与健康细胞。新技术能帮助医生更快速、更安全地完成脑外科手术。　　新激光探测仪在去年研发基础上改进而成。之前的探测仪也能帮助医生辨别脑内癌细胞所在区域，但只能通过显示屏可视化呈现。而新探测仪能将图谱信号转换成音频信号，使医生能“听”出脑内癌细胞，从而将眼睛集中于手术切除部位。参与研究的斯特拉斯克莱德大学的马修贝克表示，新技术能精准地发出信号指导，让医生“目不转睛”地专注于手术。　　激光探测仪的工作原理基于拉曼光谱学，可向脑细胞发出激光，并对反射回来的光谱进行分析，形成一个类似细胞指纹的光谱图。光谱图的形状能告诉医生所照射细胞是否癌变。研究团队这次为探测仪安装了一套全新的音频信号软件，该软件能够捕获图谱信号的重要特征，并将这些信号特征转换成声音。　　初步检测结果表明，只用耳听，医生依靠激光检测仪辨别出健康细胞和癌变细胞的准确率高达70%。贝克表示，虽然比看光谱信号90%的准确率要低，但他们有信心通过改进继续提高。　　对脑癌患者来说，癌变细胞未清除干净会留下复发和转移隐患，而切除健康细胞，神经功能又会受到损害，造成严重的副作用。下一步，他们将争取早日对激光检测仪进行临床试验，以帮助医生尽量将癌变脑细胞清除干净，又不会切除健康细胞。

相信大家在部分科幻电影或动漫中，常常能看到可以植入人体的芯片，用来监控身体各个参数、增强人体机能和神经反应。芯片一旦植入，普通人就变身成为神秘特工或战士。而现实中随着马斯克的脑机接口正在一步步迈向临床，AlphGo把人类棋手完虐等以前只能在科幻电影中见到的“未来科技”，逐步在现实生活中出现的时候，拥有“小身材有大智慧”的AI芯片似乎也能够梦想照进现实了。事实上，如今已有一些“芯片实验室（Lab-on-a-chip）”出现了，并且其发展速度是非常快的！芯片实验室什么是“芯片实验室（Lab-on-a-chip）”？简单地说，能够将整个在实验室中进行的基本操作单位集成到简单微系统上的技术就叫“芯片实验室”。“芯片实验室”中的芯片是作为流体在其中流动的微通道图案，可被模塑或刻蚀。微通道和外部宏观环境之间的连接需要通过若干孔，这些孔穿透芯片，具有不同的尺寸，用于将流体注入芯片或从芯片中移除。在微流控芯片中，根据实验需要，流体被混合、分离或引导。终结果可形成自动复合系统，从而实现高通量检测。在生物医学应用领域，芯片实验室可以实现快速诊断。芯片实验室技术有望成为一种重要的诊断工具。这些微型化的设备使医疗保健服务提供方可以使用非常少量的试剂和测试样本执行一系列诊断测试。此外得益于它们的便携性，还可以在远离实验室环境的现场进行测试。制作芯片实验室（Lab- on-a-chip）或微流控芯片（Microfluidic chip）的材料主要是玻璃，受限于芯片的微尺度特性，在制备过程中，对玻璃进行激光微加工有着很高的要求。制作芯片实验室的大挑战之一是在玻璃芯片内部加工高精度管道、容器和阀门。挑战：玻璃微加工由于其脆性和透明性，玻璃中进行微小的特征加工进行是相当困难的。如果使用常规工具手段，实际上是不可能的。但是快激光器可以胜任这种加工。当脉冲持续时间低于几十皮秒时，激光与材料的相互作用进入冷烧蚀状态，加工质量和精度会变得很高。常规的微制造方法，例如光刻，压印和软蚀刻，已经用于制备微流体芯片。然而，当要实现具有多功能集成的复杂微流控芯片时，这些方法将面临巨大挑战，因为它们需要太多工艺步骤，并且成本很高。刻蚀来啦▲由NKT Photonics的ORIGAMI XP飞秒激光制备的芯片实验室样品大功率快激光脉冲穿透玻璃。紧聚焦的飞秒激光脉冲可以经济地生产具有多功能的通用微流控芯片。短脉冲宽度提供了令人难以置信的峰值功率，即使在透明材料中，也可以进行表面和块状材料内部的改性以进行划线。▲飞秒激光加工的芯片沟道特写快激光确保加工的高精度和高质量。通过利用激光的高度空间选择性，可以将相互作用区域地设置在材料的特定局部区域。这使得飞秒加工技术可以在透明材料中以微尺度对复杂的三维形状进行非常高分辨率的图案化和雕刻。▲深度小于10 μm的沟道特写NKT快激光器可以实现非常精细的深度和通道宽度控制飞秒级短脉冲宽度比材料中的电子-声子耦合过程都短，因此短的飞秒脉冲宽度，意味着在飞秒时间尺度传递能量，这能很好的抑制热影响区的形成和热损害。这种“冷烧蚀”方式实现了高精度和高分辨率的微加工处理，并具有的处理可靠性。紧密聚焦的光束可以在微尺度上非常高分辨率地对复杂形状进行微加工。▲用ORIGAMI XP飞秒激光处理过的芯片实验室样品的特写图片展示为芯片中直径约0.6 mm的圆形储集层NKT Photonics：我们来提供NKT Photonics的快激光提供的短脉冲非常适合用于制备芯片实验室器件。我们强烈建议将ORIGAMI XP用于玻璃和其他透明材料的激光加工。ORIGAMI XP是一款集成、单箱、微焦级飞秒激光器。激光头、控制器和空气冷却系统都集成在一个小巧而坚固的包装中，体积小，甚至可以放在手提行李中！ ORIGAMI XP系统基于紧凑的啁啾脉冲放大技术平台，能够在1030 nm处提供高达75μJ的脉冲能量，5 W的平均功率以及小于400 fs的脉冲持续时间。 特点：• 风冷，单箱体，易于集成• • 双输出波长模块• 的脉冲能量和指向稳定性• 工业，坚固的设计• 可以任意方向安装• 实时脉冲能量测量和控制?• 高可靠性• 亦可用水冷 北京凌云光技术集团作为NKT Photonics公司在中国的战略合作伙伴，多年的合作中NKT Photonics公司与凌云始终如一，为客户不断提供更稳定、更先进、更前沿的技术，如果您对以上产品感兴趣，请拨打400 898 0800 电话问询！

作者：林炳承中国科学院大连化学物理研究所摘要本文为作者在第八次全国微流控芯片高端论坛（2020.11.26-28）上报告的书面文字版，整理过程中增添了论坛上部分嘉宾的报告内容。文章以作者所领导的实验室 20 余年来在微流控芯片领域的研究积累为基础，结合近年来这一颠覆性生物技术的蓬勃发展，围绕着微流控芯片三个方面的核心应用，阐述我们所面临的战略性机遇和应对策略。2018 年 10 月 19 日，刘鹤副总理在答记者问时明确提出，“以生物技术和信息技术相结合为特征的新一轮科技革命和产业变革正在兴起，将会创造巨大需求”，微流控芯片是新一代“颠覆性”生物技术的突出代表 [1]。以微流控芯片为代表的新一代生物技术将会和信息技术结合，引发下一波科技革命，左右国家产业变革的战略布局 [2-3]。一 . 微流控芯片的三个核心应用 [4-7]应用反映需求，大量的研究和开发工作围绕着需求展开。微流控芯片有三个核心应用。其中之一是微流控检测分析芯片，这种芯片是新一代即时诊断（point of care testing，POCT）的主流技术，也是体外诊断（IVD）最重要的表现形式；二是微流控反应筛选芯片，微流控芯片还可被看成是迄今为止最重要的一种微反应器，它以液滴为主要特征，在高通量药物筛选，材料合成和单细胞测序等领域有巨大的潜力，其中的数字液滴显示了和电子芯片深度对接的战略前景；三是微流控细胞 / 器官芯片，这类芯片是对哺乳动物细胞及其微环境进行操控最为重要技术平台，可望大规模替代小白鼠等模型动物，用于验证候选药物，开展药物毒理和药理作用研究，实现个体化治疗。下面，将对这三个方面的应用逐一予以阐述。二 . 即时诊断1. 即时诊断现状即时诊断（POCT）是体外诊断的重要组成部分。微流控芯片是即时诊断的主要实现平台，微流控芯片通过即时诊断的方式实现体外诊断。在中国，微流控与体外诊断的绑定从政策层面得到了确认，现阶段国内有近 90% 的微流控芯片公司都从事体外诊断产品的开发。即时诊断的第一轮工作大多集中于以核酸分析为代表的分子诊断，以蛋白质分析为代表的免疫诊断和以代谢物分析为代表的生化诊断。当然，还有一些其他方面的工作，如血液诊断，微生物诊断等。在2020 年 11 月 400 名代表参加的第八届微流控芯片高端论坛上，有多达 40 余个企业参展【图1】，而 2018 年被 Yole 报告列出的中国微流控芯片公司的数目仅为 25 家。Yole 分析师最新数据统计显示，2019 年全球微流控试剂产品市场规模达到 99.8 亿美元，相应的微流控设备市场为 34.8 亿美元，2019 至 2024 年期间的微流控产品市场复合年增长率高达 11.7%，微流控设备市场复合年增长率为 10.8%，预计到2024 年，两类产品的市场将分别达到 173.8 亿美元和 58.1 亿美元 [8]。在我国，2018 年体外诊断市场约 600 多亿人民币， 而 POCT（非血糖）市场约为 100 亿。▲【图一】部分国产 POCT 产品2. 第二波 POCT 技术值得关注的是第二波 POCT 技术。一般认为，第二波POCT 技术的应用对象主要为单细胞分析，液体活捡，肿瘤早期诊断和抗药性试验等，而医生办公室用 DNA 测序，家用基因诊断以及以安全有效使用药品和生物制品为特征的随行诊断等也可能是第二波 POCT 技术的关注对象。从平台角度看，主要会包括 POCT 整机和 5G 等信息技术的联用，以及POCT 设备内部和电子技术的结合。单细胞分析已成为下一波即时诊断技术的重要对象。近年的很多证据表明，细胞群体，即使是很小的群体，都有很大的异质性，这和长期以来认为的细胞群体同一性观点背离，实际上，现行基于细胞同质性的基因表达测定所得的只是一种统计平均，它没有考虑单个细胞之间很小但是很重要的差异，带有误导性。单个细胞之间在大小，蛋白水平，表达RNA 的转录等方面有显著差别，而这些差别往往是肿瘤研究，干细胞生物学，免疫学，发育生物学和神经学中很多长期困惑人们的问题的关键所在。当细胞被用作药物时，则更为突出。陆瑶等从活的单细胞中捡测到 42 种不同的蛋白质，创当时文献的最高捡测记录 [9]。所开发的单细胞蛋白分析技术获美国发明专利授权，并由美国 Isoplexis 公司进行后续开发，产品在 2017 年年底获选美国科学家杂志（The Scientist） 当年度十大医疗技术发明第一名 [10]。这套系统能够同时捕获成千上万个单细胞的完整生物分子和功能信息, 能够更好地分析癌症患者对免疫疗法的治疗反应，提早预测包括细胞免疫疗法在内的抗癌免疫疗效。杨朝勇等则以核酸适体的高效筛选为基础，实现了单细胞的精准捕获与测序 [11]。从平台角度看， 关一民等提出的智能微流控反映了生物技术和信息技术结合的一种趋势。他们利用整晶圆集成 CMOS 前端与微流体 MEMS 后端，制备低成本智能微流体 CMOS- MEMS 芯片，实现对微量液体的自主，精准操作及控制。他们已经研制出一种用于黄曲霉素快速检测的 POCT 系统，并开始扩大到 3D 生物打印，医疗检测及精准用药等方面 [12]。微流控数字液滴可以被看成是 POCT 设备内部和电子技术的结合范例。基于电润湿原理，在二维平面上运动的微流控数字液滴技术因其操控灵活，形状可变，大小均一，又有优良的传热传质性能，已经被应用于需大量使用微反应技术的现代生物化学分析领域。值得一提的是，数字液滴可能因为其所具备的和电子芯片深度对接的能力而在第二波 POCT 中备受重视。在电场作用下，液滴在电介质表面的表面张力减小，因此接触角变小，液滴从未润湿变为润湿，这种表面张力的改变引发液滴受力不平衡，从而驱动液滴运动。可被视作为粒子的液滴一经带电，成熟的电子技术就可以源源不断的进入微流控领域，比如有源矩阵技术。有源矩阵技术是一种在电子行业常用的开关技术，通过与微流控数字液滴技术的结合，薄膜晶体管对行列交汇处的控制电极施加驱动电压，实现液滴移动的自动控制，有源矩阵技术能并行控制超大规模液滴阵列，比如，对于M 行N 列的阵列，利用有源矩阵技术可使所需电极数由原来的 M*N 剧减为 M+N，克服过多的电极引脚造成的空间缺失，全自动完成复杂和庞大样品前处理任务。南方科技大学程鑫和中科院大连化物所陆瑶，刘显明等合作，承担题为“微流控数字液滴中央处理仪器的研制与应用”的国家自然科学基金重大仪器项目，旨在通过微流控数字液滴中央处理仪器和大规模有源矩阵数字微流控液滴芯片的研制，实现微流控技术和电子技术的深度对接 [13]。蒋兴宇等把液态金属和用弹性高分子微流控芯片整合成柔性电子电路后，发现这些柔性电子电路可以在生物医学传感，组织工程，人用器官以及生物计算领域发挥非常大的作用。他们用液态金属和弹性高分子微流控结合 , 制备全柔性血氧传感器，全柔性汗液检测装置，电子血管和功能强大的血管支架 [14]。柔性材料还可制备可穿戴设备。Nature 曾报道一种集成模式，可以对人体体温及汗液中四种生化指标（葡萄糖， 乳酸，钾离子，纳离子）进行连续的定量检测的装置，还可通过多元检测得到不同检数据之间的相互矫正，从而提高检测结果准确性。在此基础上 , 刘宏等发展了相应的可穿戴生化传感技术。他们提出一种新的生物传感思路，研究出基于电解水辅助的电催化反应，发展了相应的无酶葡萄糖传感方法， 解决了无酶传感中的 pH 问题，实现了无酶的葡萄糖检测， 再将该传感器与智能手环，运动头巾等结合，用于监测汗液中葡萄糖的含量，寻求汗液葡萄糖和血糖的关係 [15]。三 .材料的可控合成和筛选这里所指的合成和筛选材料是微尺度的, 微尺度材料合成技术也被称之为微化工技术，它的基础是被视为最小微反应器的液滴。微化工技术因其混合速度快，传递性能好，以及反应条件均一可控，已成为化工学科的前沿方向之一，也是工程前沿和材料化学精准制备的新技术。微化工产业用的芯片兼具高精度的微观特征尺度和较大的宏观器件尺寸，并具有无法通过传统平面光刻实现的三维构型。程亚等利用超快激光微加工技术制造微化工芯片，开拓了这种芯片在微化工产业中的应用 [16]。对液滴技术的研究则更为广泛。方群等发展了一种基于序控液滴阵列技术的微流控液滴操控新方法（SODA），能自动完成对超微量液滴的生成，融合，分裂，定位，迁移和分选等，SODA 技术具有微量自动，操控灵活，通用性强，应用面广等特点，适合于超微量样品和试剂消耗下多种类，大规模的分析和筛选 [17]。林金明等致力于和质谱的联用 [18]。姜洪源等则提出利用低压交流电场实现双乳内核融合，释放等精准操控的新方法 [19]。以微流控芯片为平台，以分散的液滴单元作为微反应器， 通过制备相对简单的微球，比如氧化物，可以打通芯片合成材料的技术路线。微流控技术能够精确控制微量流体的运动速度并进而控制物质传递和反应条件，因此在制备纳米颗粒及微米颗粒时，不仅可以灵活调节颗粒大小、组成、结构（单分散性、壳层厚度，以及其它内部结构）、形貌、分布以及其他物理化学性质，还可以通过微颗粒结构和构成微颗粒的各组分的灵活结合以赋予其更加多样化的功能，从而为新型微颗粒型功能材料的设计和研制提供新的思路和途径。骆广生等把液滴用于微尺度材料合成，专门研究“微尺度流动与材料的可控制造”，并对高端材料化学品予以特别关注 [20]。某种意义上说，药物也是材料。液滴微流控芯片也被广泛用于药物的筛选，比如工业酶。用紫外光照射可产生全基因变性的酵母细胞库，将其和荧光酶底物一起包进液滴，被包进液滴的酵母细胞产生酶，消化底物，因此增加液滴的荧光，在孵化后，将液滴按它们荧光强度的不同分开，这类方法试剂消耗量小（μl 级），筛选速度快（1000 倍），费用还低（100 万分之一）[21]。四 . 器官芯片药物研究的一个重要环节是临床前动物实验，临床前动物实验的弊端包括：化费极大，耗时极长，存在动物权、动物伦理等问题，最根本的是， 动物到底不是人，因此结果往往不准。一个典型案例是2016 年，法国科学家研发的一种已经完成动物试验的神经退行性药物，开始进行一期临床试验，六名健康志愿者中有一名脑死亡，四名病危，法国朝野震惊 [22]。药企的一个重要观点是，他们也并不看好动物试验，但是，他们没有更好的办法。器官芯片的发展提供了一种可能的替代途径。1. 器官芯片已经有很多课题组开展单一或多种器官芯片的研究。林洪丽等构建不同的肾脏芯片用于研究各种不同肾脏病的发生发展机制。比如，高血压肾的损害是促进慢性肾脏病进展至终末期肾脏病的原因之一，他们将肾小球内皮细胞，肾小球基底膜与足细胞共同培养于流体小室中，构建了具有滤过功能的“肾小球”芯片，在这样的模型上，发现高流量灌注会损伤滤过屏障功能，並引起肾小球内皮细胞与足细胞的损伤 [23]。王琪等构建了肺癌脑转移多器官仿生模型 , 该模型由上游仿生肺及下游以血脑屏障为核心结构的仿生脑组成 , 再现上游肿瘤细胞侵袭进入循环到达下游靶器官 , 突破血脑屏障，进一步形成脑转移的病理全过程 , 实现了对复杂病理过程的可视化检测 [24]【图 2】。张秀莉，罗勇等构建了肝 , 肾和心脏芯片并成功地把它们作为药物毒效学评价平台 [25]。赵远锦等利用微流控技术制备了一系列结构功能特异的生物材料，解决器官芯片构建所遇到的瓶颈问题 [26]。张炜佳等则构建了主动脉器官芯片，并实现了一些生物力学模拟 [27]。▲【图二】肺肿瘤脑转移芯片示意 [24]器官芯片是一种多通道，包含有可连续灌流腔室的三维细胞培养装置。器官芯片由两大部分组成，一是本体，由相应的细胞按实体器官中的比例和空间位置搭建；二是微环境，包括芯片器官周边的其他细胞、细胞分泌物和物理力 [28]。比如, 肝脏主要包括肝实质细胞，星状细胞，枯否细胞和内皮细胞， 分别占比约 58.9%，17.6%，14.7% 和 6%，而内皮细胞和肝星状细胞是空间上紧邻的两种细胞，HepG2 细胞部分空间占比大，与其他三种细胞形成的颜色条带形式不尽相同，其他三种细胞为线型或面型条带，HepG2 细胞则为三维条带。除了本体，还有微环境。陆瑶等用一种有 10 路平行通道的微流控芯片，连续测量 5000 多个单细胞在 4 个时间点的蛋白分泌物， 研究了人单个巨噬细胞对 Toll 样受体配体脂多糖(LPS) 的反应过程，揭示了不同蛋白在单个细胞中的四种不同的激活方式，并在相同的时间点对同一样本作单细胞 RNA 测序， 进一步证明了转录水平上存在两种主要的激活状态，分别用于翻译和炎症程序。结果表明，在一个表型均一的细胞群体中， 细胞内存在异质性反应 [29]。还有更多的报道指出, 肠道微环境中很小的剪切力就能极化上皮细胞，形成折叠的绒毛，在肾近端肾小管芯片上，把单一的上皮细胞层暴露在流体剪切力的尖端，能改变上皮细胞的极性，导致离子的移位，形成初级纤毛，纤毛突的平均长度为 10±3.5μm [30]。2. 器官芯片研究的下一波走势普遍认为器官芯片的下一波走势是：从器官芯片本体的构建到本体 + 微环境的仿生；从单一生理模型的构建到千变万化的类器官病理模型仿生；从单一细胞种植方法的发展到3D 打印细胞种植方法的全面介入，以及从单一器官的完善到多器官芯片系统甚至人体芯片的构建。整体而言，则是从以研究为主到研究开发生产并举。▲【图三】高通量单细胞外囊泡的多指标分析 [31]以单细胞胞外囊泡分泌物多路表征为例说明微环境的仿生。陆瑶 , 刘婷姣等把微芯片平台的两个功能部分用于单细胞胞外囊泡分泌物多路表征，一是有 6343 个鉴定单元的微孔阵列用于细胞培养，二是有一组平行微流通道阵列的玻璃抗体条形码用于单细胞囊泡的缚获和检测。这一高通量平台具有通过分泌的囊泡显示单细胞异质性的能力，【图 3】为单细胞外囊泡的多指标分析工作流程示意（上）并显示可视化聚类分析口腔鳞癌细胞系及肿瘤患者样本的功能亚群（下）[31]。在器官芯片中有一种值得注意的类器官技术，类器官是指在体外对干细胞进行诱导分化形成的在结构和功能上都类似于目标器官或组织的三维细胞复合体，具有稳定的遗传学特征，能在体外长期培养。把器官芯片技术与类器官技术结合， 形成类器官芯片技术。这样 , 通过使用患者的诱导多能干细胞（iPSCs）可在芯片上建立各种各样的类器官病理模型，并在体外模拟和重现。类器官芯片可以实现对药物药效和毒性进行更有效、更真实的检测，也可用于个体化治疗。由于类器官可以由人类 iPSCs 直接培养生成，相比于动物模型，会在很大程度上避免因动物和人类细胞间的差异而导致的检测结果不一致性 [32]。3D 生物打印是对传统器官芯片细胞接种方式的一种革命。关一民团队研发了一种由 3D 生物打印机打印的肝芯片 , 他们先把细胞定量图案化接种，再用24 个细胞培养杯在培养板上形成 4 通道密封的流道结构，让细胞在培养杯定量成球培养，将培养板固定在生物打印机平台进行细胞打印，这样实现了用单细胞打印定量接种均一粒径的细胞团，进而打印器官的技术路线 [33]。还有一个比较著名的案例是 , 美国 Rice 大学团队提出一个 3D 打印的肺状系统，充满气蘘，可以扩张和收缩，具备肺通过向血液泵入氧气而发挥的生物功能。“人体芯片”是一个基于干细胞技术，由器官芯片、仪器和软件组成人体仿真系统，为人体内部的生理和病理过程提供高仿真窗口的技术平台。“人体芯片”的研发过程是：在研制出一系列不同的单一器官及其微环境的基础上，引入液体处理机器人和移动显微镜，开发定制软件，把多重器官的芯片组合，使多个器官芯片共置于一个标准的组织培养孵化器里进行自动化培养，灌注，介质添加，流体连接，样品收集和原位显微镜成像，并通过芯片对多器官人体灌注示踪剂（比如菊粉）的分布作定量预测，最终构建系统化，可灵活拆卸组装的“人体芯片”。“人体芯片”可为人类开展个体化治疗、药物筛选等提供仿真度极高，可靠性更好的技术平台，因此大幅度改善人类生存质量。这样的“人体芯片”应当是生物技术领域的“国之重器”。微流控芯片正处于一个重要的发展阶段，这一阶段的发展具有战略性。已经置身于其中的学术界, 产业界人士宜抓住机遇, 承担起我们的社会责任，强化“学科交叉”，强化“全国范围内微流控芯片从业人员的协同创新”，贯徹 “以任务带学科” 的方针，全面推动微流控芯片技术发展。

近年来，细胞免疫疗法逐步成为治疗肿瘤的热点，其中CAR-T细胞药物不仅在血液肿瘤的治疗中大显身手，同时在实体瘤的治疗也逐渐崭露头角，蕴含巨大潜力。在细胞治疗药物的非临床研究阶段，由于存在种属差异、免疫缺陷等问题，传统动物模型很难准确评估细胞治疗药物在病人体内的真实药效。2021年，CDE发布《基因修饰细胞治疗产品非临床研究技术指导原则》，提出“当缺少相关动物模型时，可采用基于细胞和组织的模型（如二维或三维组织模型、类器官和微流体模型等）为有效性和安全性的评估提供有用的补充信息”。人源化、高仿生、标准化的类器官芯片模型已成为细胞治疗药物评价及转化医学研究的关键技术平台。据大橡科技表示，2023年06月28日，北京艺妙神州自研的新一代抗肿瘤药物IM83嵌合抗原受体T细胞注射液（IM83 CAR-T细胞注射液，简称“IM83”），获得国家药品监督管理局的药物临床试验许可，用于治疗晚期肝癌。作为艺妙神州的战略合作伙伴，大橡科技提供了基于肿瘤芯片模型的CAR-T药效评价服务，快速准确筛选出有效候选CAR-T药物，相关数据纳入IND申报数据包。至此，IM83成为国内首个使用类器官芯片数据获批IND的细胞基因治疗（CGT）药物。北京大橡科技有限公司（Beijing Daxiang Biotech Co., Ltd）是中国领先的研发和生产人体类器官和器官芯片的高科技公司，致力于推动和引领类器官和器官芯片在新药研发、疾病建模和个体化精准医疗等领域的广泛应用。大橡科技的器官芯片结合了“类器官”和传统“器官芯片”两种生命科学和工程学领域前沿技术，具有高通量、高仿生、标准化和可控的优势。基于自主研发的器官芯片目前已成功构建出数十种不同肿瘤、肝、肺、肾、肠、脑等各类人体生理及病理模型，并应用于国内外药企的管线开发中。

p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" text-indent: 0em " 仪器信息网讯 /span /strong span style=" text-indent: 0em " 2019年11月23日，第七届微流控芯片高端论坛在大连中科院大连化学物理研究所开幕。高端论坛由中科院大连化学物理研究所和中国生物检测监测产业技术创新战略联盟主办，中科院大连化学物理研究所承办，大连理工大学、大连医科大学和仪器信息网共同协办。本届高端论坛为期两天，即11月23日~11月24日，论坛定位为小型、高端，共吸引250余名来自化学、医学、力学、工程学、生物学、材料学、光学等领域专家、学者参会。与会学者就微流控芯片核心技术的研发在器官芯片、单细胞分析及POCT等领域中的应用做了充分深入的交流。 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/dfec842a-76b1-4eb6-8c9f-36dccea12324.jpg" title=" 1大会现场.jpg" alt=" 1大会现场.jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" text-indent: 0em font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 大会现场 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/78aa6096-67ca-40f5-80c0-2b5ce19341e6.jpg" title=" 2曹恒副处长.jpg" alt=" 2曹恒副处长.jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" text-indent: 0em text-align: justify font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 大连化物所科技处曹恒副处长致辞 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " 大会开幕式由大连化学物理研究所科技处副处长曹恒作大会致辞。曹恒处长表示大连化物所创建于1949年，是一个基础研究与应用研究并重、应用研究与技术转化相结合的综合性研究所。大连化物所造就了若干享誉国内外的科学家及大批高素质研究和技术人才，先后有20位科学家当选为两院院士。分析化学是大连化物所的传统优势学科领域。曹恒处长回顾了大连化物所的发展历程和产业化进程，并对林炳承研究员团队在微流控芯片研究领域取得的成果做了高度评价。微流控芯片应用领域很宽，有望在精准医学、个性化医疗、药物筛选等多个领域实现重大突破。最后曹恒处长号召相关学者加强合作，共同推动微流控芯片技术及其在重大领域的科学研究与应用发展。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " 在论坛开幕式上，由林炳承、罗勇、刘婷姣和陆瑶共同撰写的重磅新书《器官芯片》正式发布。科学出版社化学分社社长杨震、中科院大连化物所林炳承分别做了介绍说明。 /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/53217b3d-af5b-47b1-b8ad-20149da8a472.jpg" title=" 3杨震.jpg" alt=" 3杨震.jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " & nbsp span style=" text-indent: 0em font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 杨震 科学出版社 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " 杨震表示，器官芯片则被世界经济论坛评为2016年世界十大新兴技术之一。国内外已经有很多关于微流控芯片的书籍，但是至今尚未见到器官芯片的相关书籍。国外图书网站关于器官芯片的内容也寥寥无几。作为该领域的第一本中文专著，《器官芯片》一书对这个重要的新兴学科做了全面详实的介绍。他表示希望这部著作会对我国器官芯片研究、医药和其他产业的发展起到极大推动作用。 span style=" text-indent: 0em " & nbsp /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/5550d131-7761-4e35-9d03-78ae1ee9efb5.jpg" title=" 4林炳承.jpg" alt=" 4林炳承.jpg" / span style=" text-indent: 0em font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 林炳承 中科院大连化学物理研究所 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " 林炳承教授谈了他撰写《器官芯片》一书的体会。林教授表示在世界范围内，器官芯片研究工作尚处于起步，产业化刚刚开始，所以现阶段一个突出任务是让更多人了解“器官芯片”这个领域，并参与有关研究、创新。大连化物所团队进行微流控芯片研究已有20年，经过难以忘却的风风雨雨，但无悔无怨。林教授表示，开展微流控芯片研究和撰写《器官芯片》一书，是一件对国民经济的产业转型和可持续发展具有战略意义的大事，对本书出版感到非常欣慰。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " 本次论坛分大会报告和分会场报告，论坛第一天，9位专家作了精彩生动的大会报告。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 398px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/0f96ed63-be46-4b17-9d71-b702930ddd9f.jpg" title=" linbingcheng2.png" alt=" linbingcheng2.png" width=" 600" height=" 398" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 林炳承 中科院大连化学物理研究所 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 报告主题：《器官芯片及其微环境》 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " 林炳承首先介绍了大连微流控芯片团队已经完成或者正在进行的器官芯片及其微环境的研究工作，包括器官芯片、器官芯片系统、肿瘤芯片、3D打印芯片等。然后对团队成员的相关研究方向，如用微流控芯片对单细胞蛋白分析、单细胞外囊泡分泌物多路表征、单细胞外囊泡的多指标分析、电润湿和数字液滴芯片、基于大规模有源矩阵芯片的仪器构建、数字微流控液滴芯片的研制、微流控数字液滴中央处理器的研制、数字微流控芯片自动单细胞阵列处理与染色、基于器官芯片肾小球的高血压肾病研究等工作作了简要介绍。 /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/2b4184f9-9fbd-47cb-9ae2-1469cf2da007.jpg" title=" 5林金明.png" alt=" 5林金明.png" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / span style=" text-indent: 0em text-align: justify " & nbsp /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 林金明 清华大学化学系 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 报告主题：《微流控质谱联用单细胞分析方法研究》 /span /strong /p p style=" text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" text-align: justify text-indent: 2em " 细胞是生物结构和功能的基本单位，细胞研究是生命科学的基础。大多数真核细胞一生都是单一的个体，但是在进化的过程中，他们已经可以互相关联并密切合作形成组织、器官甚至整个植物或者动物。然而，即使在相同的培养条件下，同源细胞在单细胞层面上也会具有形态、基因表达水平、以及生长特性上的差别，这种差别叫做细胞的异质性。了解单细胞之间的异质性对于细胞内生命过程的机理解释具有重要的作用。微流体技术以其微尺度通道和灵活的设计，在细胞研究领域得到广泛应用。林教授团队将操控单细胞的微流控平台与质谱仪结合，使得细胞经过微流控平台分选分离成单细胞后可以直接进入质谱检测，省去对细胞样品处理的中间环节。同时利用电喷雾质谱对细胞膜表面磷脂和蛋白进行原位分析，通过对获得的质谱数据进行指纹分析和聚类，可以区分出肿瘤单细胞在亚种群上的差异。由于本方法的测试灵敏度已经可以达到单细胞级别，可以进而研究细胞在药物作用下的代谢状况，在药物筛选及重大疾病研究等领域有良好的应用前景。 /span /p p style=" text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/6c5df344-d6f4-49ce-a80d-10b6119498af.jpg" title=" 6方群.png" alt=" 6方群.png" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / span style=" text-align: justify text-indent: 2em " & nbsp /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 方群 浙江大学化学系微分析系统研究所 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 报告主题：《基于序控液滴技术的集成化微流控分析系统》 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " 2013 年，方群教授研究组发展了基于序控液滴阵列（Sequential Operation Droplet Array, SODA）的微流控液滴操纵新方法，能自动地完成对超微量（pL-nL）液滴的多步复杂操控，包括液滴的生成、融合、分裂、定位、迁移和分选等。在此基础上，方教授建立了一系列SODA 系统，并应用于超微量高通量筛选、单分子数字PCR 分析、单细胞分析、微量细胞实验等。最近，方教授采用将序控液滴技术与核酸分析技术相结合，发展了一种能够自动化实现核酸分析全过程的集成化仪器，可自动完成样品引入、核酸提取、逆转录-扩增、样品分配、双波长实时荧光定量分析等功能。该核酸分析系统被应用于人类咽拭子中8种流感病原体的鉴别，获得了与胶体金法一致的结果。 /p p style=" text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/6a903637-1428-4e46-a1f9-d96a3455601c.jpg" title=" 7 魏巍.png" alt=" 7 魏巍.png" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / span style=" text-align: justify text-indent: 2em " & nbsp /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 魏巍 Institute for Systems Biology/UCLA /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 报告主题：《Single-cell functional multi-omics for cancer systems biology》 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " 在过去的十年中，单细胞组学技术蓬勃发展，加深了研究人员对癌症中细胞异质性的理解。魏巍教授介绍了单细胞多组学的技术进展，重点分析具有关键功能的生物分子(蛋白质和代谢物)。魏教授还举例说明了如何通过单细胞多组学分析确定重要亚群，以及识别可能导致治疗耐药性的表观遗传重编程或信号网络重连的早期特征。动力学单细胞多组学方法用于标记药物诱导的细胞状态转变。此外，魏教授还讨论了药物诱导的表型可塑性癌细胞的状态发展轨迹。 /p p style=" text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 399px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/ebef175f-039c-4639-88f5-f275a0bdaa43.jpg" title=" 8黄岩谊.png" alt=" 8黄岩谊.png" width=" 600" height=" 399" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai text-indent: 2em " 黄岩谊 北京大学 br/ /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 报告主题：《信息理论用于DNA 测序的错误纠正》 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " 黄岩谊教授团队发展了一种全新概念的测序方法—纠错编码测序法（简称ECC 测序法），该方法采取一种独特的边合成边测序（SBS）策略，利用多轮测序过程中产生的简并序列间的信息冗余，大幅度增加了测序精度。通过全新设计的特殊测序反应底物，对待测DNA 序列进行三轮独立的SBS 测序，继而产生三条互相正交的简并序列编码。这三条编码可互为校验，后续不但能够通过解码推导出真实碱基序列信息，而且具备对单轮测序错误位点的校正能力。通过和低错误率的荧光发生测序技术相结合，黄教授课题组在实验室搭建的原理样机上获得了单端测序超过200 碱基读长无错误的实验结果。基于这一结果，进行了进一步拓展，发现通过简并碱基，即可进行大多数的测序实验，并通过其自己研发的高通量测序仪器，与现有其它仪器进行了对比。 /p p style=" text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 399px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/a0a91cbf-64cd-4a39-9aab-1ca64fdbcb64.jpg" title=" 9 程鑫.png" alt=" 9 程鑫.png" width=" 600" height=" 399" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 程鑫 南方科技大学 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 报告主题：《数字液滴微流控中央处理器芯片及平台系统的新进展》 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " 随着现代生物医学工程技术的发展，微阵列生物芯片和芯片实验室技术受到了越来越广泛的关注。由于该领域各类生物分析的需求十分繁杂，微阵列生物芯片和芯片实验室的定制化设计制造的重要性愈发凸显。而这种定制化设计制造的复杂性极高，已成为生物芯片推广应用的瓶颈。因此，亟需开发一种可在生物医学工程领域内普遍适用的微流体操控平台。程鑫教授介绍了基于有源矩阵电路来进行液滴驱动的数字生物芯片平台技术，通过薄膜晶体管驱动的大规模电极阵列，利用介电电润湿（EWOD）或介电泳力（DEP）等现象，实现成几百个电极的并行控制。程鑫教授讨论了数字液滴微流控芯片的架构、工作原理、制造流程、及应用前景，还重点介绍了课题组近一年来在芯片自动化、流体接口、液滴驱动稳定性等领域的新进展。程鑫教授表示，这种新型的数字液滴芯片具备广泛的通用性、大规模可扩展性和可重复使用性，有望广泛应用于生物工程或生物医学工程技术中。 /p p style=" text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 398px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/2bec897d-92a2-4d35-9721-54b4e6748f4b.jpg" title=" 10 王琦.png" alt=" 10 王琦.png" width=" 600" height=" 398" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 王琪 大连医科大学附属二院 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 报告主题：《基于微流控芯片技术仿生肺癌脑转移模型的构建及应用》 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " 肺癌脑转移是肺癌患者死亡的主要原因之一，由于中枢神经系统解剖及功能上的特殊性，脑相对于其他转移靶器官有其独特性，故明确肺癌脑转移的特异性转移机制对其诊疗具有重大意义。然而，目前传统的肿瘤生物研究手段难以在体外模拟复杂的病理过程和仿生微环境，而动物体内模型也受到了实时监测和伦理方面的限制，因此王琪教授利用微流控芯片技术构建了肺癌脑转移多器官仿生模型，为肺癌脑转移机制研究提供了新的方法学平台。该模型由上游仿生“肺”、下游以“血脑屏障”为核心的仿生“脑”两个单元组成，实时监测上游的肺癌细胞侵袭进入循环到达下游靶器官并穿破血脑屏障实现脑转移的病理全过程。在此基础上，该模型已被成功应用于肺癌脑转移机制研究，与传统体内外方法学平台联合首次证实蛋白AKR1B10 促进肺癌脑转移的重要机制及其作为肺癌脑转移新分子标记物的诊断价值。 /p p style=" text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/f3f2be3b-6288-4be6-9120-4d65754aeedf.jpg" title=" 11林洪丽.png" alt=" 11林洪丽.png" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 林洪丽 大连医科大学附属第一院 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 报告主题：《肾脏微流控芯片研究进展》 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " 基于“肾小球芯片”和“肾小管间质芯片”的构建，林洪丽教授课题组将肾小球和肾小管及管周血管连接起来，进一步构建了仿生“肾单元”微流控芯片。并在此芯片基础上探究高糖高灌注的病理条件下肾小球，肾小管及管周血管的病理变化。研究发现高糖高灌注会破坏肾小球滤过屏障，使肾小球内皮细胞CD31 表达下降，vWF 表达升高；足细胞synaptopodin 表达下降；肾小管上皮细胞E-cadherin 表达下降，kim-1 表达升高；管周血管内皮细胞CD31 表达下降。林洪丽教授表示，搭建仿生肾脏微流控芯片推动了肾脏病体外研究模型的构建及改善，为探究肾脏病发生发展机制提供优良的仿生模型。利用肾脏微流控模型分别再现及研究高灌注、高糖及蛋白负荷病理条件下肾脏的损伤变化及机制，为更好了解肾脏病的发展奠定了基础。 /p p style=" text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 398px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/e33f2ce4-e962-4811-994a-fdd6f8ed19d1.jpg" title=" 12 刘笔锋.png" alt=" 12 刘笔锋.png" width=" 600" height=" 398" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 刘笔锋 华中科技大学 br/ /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 报告主题：《微流控芯片单细胞蛋白质分析》 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " 单细胞分析对于揭示细胞异质性具有重要科学意义。近年来单细胞测序技术在基因组和转录组层次发现单细胞分辨的差异获得了突破性进展，但单细胞蛋白质组分析仍然存在重大挑战。近几年，刘笔锋教授重点聚焦在基于微流控芯片技术的单细胞蛋白质组分析工作，从离体、活体和原位在体水平分析蛋白质的表达、功能及其动态变化：1）在离体水平，率先提出了单细胞化学蛋白质组的概念，并实现了原理性研究；2）在活体细胞水平，拓展了单细胞组学并系统建立微流控芯片新方法，分析功能蛋白质在化学微环境扰动下细胞信号传导以及细胞-细胞间的相互作用；3）在原位活体水平，以线虫为对象，研究功能蛋白质在活体动物上单细胞分辨水平的动态变化。上述研究对于揭示功能蛋白质在单细胞水平的异质性提供了一条崭新的路径和解决方案，是对单细胞蛋白质组研究的有益尝试。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " 当日，针对“体外诊断”和“单细胞分析/体外诊断”两大专题，11位专家作了精彩的专题报告。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " br/ /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " strong 体外诊断分会场 /strong /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong br/ /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" text-indent: 2em " /span /p p style=" text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/5eb76d93-4cf3-4803-b2d7-3bea65a696ff.jpg" title=" 13 周蕾.png" alt=" 13 周蕾.png" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai text-indent: 2em " 周蕾 中国科学院过程工程研究所 br/ /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 报告主题：《基于微流控的细胞、免疫、核酸检测》 /span /strong /p p style=" text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 399px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/98f645c3-2a48-4f7c-835d-a905cabd32d8.jpg" title=" 14 孙佳殊.png" alt=" 14 孙佳殊.png" width=" 600" height=" 399" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 孙佳姝 国家纳米科学中心 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 报告主题：《微流控肿瘤液体活检技术》 /span /strong /p p style=" text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 395px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/81b6472d-ad1d-4b96-a633-f0494cc1c0c1.jpg" title=" 15 杜文斌.png" alt=" 15 杜文斌.png" width=" 600" height=" 395" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 杜文斌 中国科学院微生物研究所 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 报告主题：《基于微流控的病原快速筛查和药敏分析》 /span /strong /p p style=" text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 398px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/a5120e8c-b684-455e-9c3e-5f427102b09c.jpg" title=" 16 盖宏伟.png" alt=" 16 盖宏伟.png" width=" 600" height=" 398" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 盖宏伟 江苏师范大学 br/ /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 报告主题：《金纳米粒子与量子点之间的等离子共振能量转移及其在免疫分析中的 /span /strong /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 应用研究》 /span /strong /p p style=" text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/da8f1296-62b6-4c61-9d41-5a8c77824244.jpg" title=" 17 董彪.png" alt=" 17 董彪.png" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" text-align: justify text-indent: 2em font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " & nbsp 董彪 吉林大学 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 报告主题：《基于上转换荧光的肿瘤标志物及CTC检测研究》 /span /strong /p p style=" text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " br/ /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " strong 单细胞分析/体外诊断分会场 /strong /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong br/ /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" text-indent: 2em " /span /p p style=" text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/4e11db61-cfe6-4d5e-b1b9-b22f7ddec337.jpg" title=" 18 吴文明.png" alt=" 18 吴文明.png" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai text-indent: 2em " 吴文明 中科院长春光学精密机械与物理研究所 br/ /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 报告主题：《高通量微液滴自发式形成与长距离恒速传输方法 /span /strong /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 以及单恒温热源循环扩增模型》 /span /strong /p p style=" text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 402px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/e6c8ac7b-1432-48b5-aaf1-d9ef415e8697.jpg" title=" 19 高荣科.png" alt=" 19 高荣科.png" width=" 600" height=" 402" border=" 0" vspace=" 0" / span style=" text-align: justify text-indent: 2em " & nbsp /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 高荣科 合肥工业大学 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 报告主题：《Highly Sensitive Biomedical sensor based on Self-powered Microfluidic device》 /span /strong /p p style=" text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 399px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/35de936b-89ec-4cd4-8d51-a97171cf83cd.jpg" title=" 20 李颖.png" alt=" 20 李颖.png" width=" 600" height=" 399" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 李颖 中国科学院武汉物理与数学研究所 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 报告主题：《闭合式和开放式微流控芯片用于高通量单细胞分析》 /span /strong /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 564px height: 752px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/88ca572b-5624-4fb1-92f7-6e71e8820499.jpg" title=" 李自达.jpg" alt=" 李自达.jpg" width=" 564" height=" 752" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 李自达 深圳大学 /span /p p style=" text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em text-align: center " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 报告主题：《Dean flow assisted single cell and bead encapsulation for high /span /strong /p p style=" text-align: center " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " performance single cell expression profiling span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai line-height: 1.5em text-indent: 2em " 》 /span /span /strong /p p style=" text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 399px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/f2d3e4d2-0698-4b23-881a-ebb7ac8af327.jpg" title=" 21边.png" alt=" 21边.png" width=" 600" height=" 399" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 边升太 北京体育大学 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 报告主题：《一种基于流体捕获和超疏水芯片相结合的微流控芯片系统用于研究肿瘤球内部单细胞之间的异质性》 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" text-indent: 2em " /span /p p style=" text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 398px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/8da204d6-3e3d-42bd-9944-2fee5d759495.jpg" title=" 22 李林梅.png" alt=" 22 李林梅.png" width=" 600" height=" 398" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai text-indent: 2em " 李林梅 中科院大连化学物理研究所 br/ /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 报告主题：《单细胞分泌蛋白分析揭示巨噬细胞在3D肿瘤微环境中 /span /strong /p p style=" text-align: center text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 不同的免疫反应》& nbsp /span /strong /p

近日，马斯克在节目录制时透露，其脑机接口公司“神经连接”已成功为第二名人类患者植入脑机接口设备。据悉今年年初，“神经连接”公司进行了脑机接口设备的首例人体移植。患者的脑部活动信号可被实时读取。患者只需通过意念就能控制手机、电脑，并通过它们控制几乎所有设备。失去四肢功能的人群将是这款产品的首批使用者。脑机接口”是一种人机交互技术，工作原理是采集脑部神经信号并分析转换成特定的指令。（Brain-Machine Interface，BMI；Brain Computer Interface，BCI ），指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接，实现脑与设备的信息交换。这一概念其实早已有之，但直到20世纪90年代以后，才开始有阶段性成果出现。这种技术能够在人或动物大脑与外部设备之间创建直接的连接，不依赖正常的由外周神经和肌肉组成的输出通路，实现“脑”与“机”之间的直接信息交换。除“神经连接”公司外，目前全球还有多家公司也正在研发脑机接口技术，有些公司已开始进入人体临床试验阶段。2024年，中国团队成功研发65000通道脑机接口芯片。武汉高德红外股份有限公司董事长黄立3月份介绍，他带领中华脑机接口公司团队成功研发65000通道双向的脑机接口芯片，居于国际领先水平。当天，十四届全国人大二次会议第二场“代表通道”采访活动举行。黄立在受访时说:“目前，国外的脑机接口芯片还只能做到3000多个通道，而且是单向的。而我们的脑机接口芯片可以做到65000通道，是双向的，居于国际领先水平。他表示，这项技术可以让很多目前实现不了的医疗应用成为可能。比如，可以让假肢有真实感觉，可以用人脑、意念控制假肢，神经系统的疾病治疗也成为可能，比如癫痫、老年痴呆、郁症、帕金森病等。盘点5家具有影响力的脑机接口公司一、NeuralinkNeuralink公司是由特斯拉创始人Elon Musk于2016年7月成立的，旨在开发一种可以将人类与AI融合的脑机接口系统。这个系统可以通过植入大脑的芯片，将人类的思想上传到云端，并实现人与机器的交互。目前，Neuralink已经成功地开发出了一种名为“Link”的脑机接口设备，该设备可以通过手术植入到大脑中，并使用无线充电技术来保持运行。Link设备可以读取大脑中的神经元信号，并将其转化为数字格式，然后通过云端进行进一步处理。Neuralink的脑机接口技术可以应用于多个领域，包括医疗、娱乐和军事等。例如，它可以帮助瘫痪患者恢复运动能力，还可以帮助正常人更好地控制机器人肢体。此外，Neuralink还开展了一些有趣的研究，例如通过脑机接口技术实现意念打字和意念控制电子游戏等。为了将Neuralink的脑机接口技术推向市场，公司一直在积极开展动物实验和人体实验，并已经获得了美国食品药品监督管理局（FDA）的批准。如果一切顺利，Neuralink的脑机接口技术有望在未来几年内进入市场。二、NeuroSkyNeuroSky是一家脑机接口技术公司，总部位于美国加利福尼亚州圣克拉拉市。它的使命是利用脑机接口技术改变人们与世界互动的方式，让每个人的生活都变得更好。该公司开发了一系列神经科学产品，如脑电图（EEG）、多通道生物电位记录器（EOG）和脑部活动监测设备（BAE）等，以帮助客户研究大脑活动，开发治疗方法和产品。NeuroSky的脑机接口技术基于EEG和EOG信号，可以非侵入性地监测大脑的活动，从而了解用户的意图、情感和认知状态等。该公司的产品和服务广泛应用于医疗、娱乐、教育、心理学、智能家居等领域。例如，在医疗领域，NeuroSky的技术可以用于诊断和治疗抑郁症、注意力缺陷多动障碍（ADHD）、焦虑症等心理疾病。在教育领域，NeuroSky的技术可以用于提高学生的学习成绩和注意力。在智能家居领域，NeuroSky的技术可以用于控制家庭设备，如灯光和温度等。除了开发和销售产品，NeuroSky还提供脑机接口解决方案，帮助客户在各种应用领域开发自己的产品和服务。该公司的客户包括迪士尼、微软、IBM、索尼等知名公司。三、InteraXonInteraXon是一家开发神经科学技术的公司，总部位于加拿大安大略省多伦多市。它开发了一种名为“Muse”的头戴式设备，可以监测大脑活动并提供反馈，以帮助人们提高专注力和放松力。Muse是一款基于脑电图（EEG）技术的产品，可以通过测量大脑活动来了解用户的注意力和放松程度等。该设备采用了低功耗蓝牙技术，可以与智能手机应用程序进行无线连接，让用户实时了解自己的大脑活动情况。Muse的应用程序提供了多种功能，包括冥想、专注和放松练习等。用户可以在应用程序中选择自己喜欢的冥想课程，并跟随Muse的反馈来调整自己的大脑状态。Muse还可以记录用户的脑波数据，让用户了解自己的大脑活动情况，从而更好地控制自己的情绪和行为。除了Muse，InteraXon还开发了一系列其他的神经科学产品，如“Sigmund”和“MindSet”等。Sigmund是一款可以监测和反馈大脑活动的头戴式设备，主要用于研究和诊断注意力缺陷多动障碍（ADHD）等心理问题。MindSet是一款可以减轻疲劳和增强专注力的头戴式设备，主要应用于劳动生产力提高、驾驶安全等领域。四、Blackrock NeurotechBlackrock Neurotech是一家心理科技公司，总部位于美国加利福尼亚州圣克拉拉市。它主要研究脑电图技术（EEG）和生物电位记录器（EOG）等神经科学产品，并开发了名为“Quell”的疼痛管理产品，以帮助缓解疼痛。Quell是一款基于EEG技术的可穿戴设备，可以通过监测大脑活动来缓解疼痛。该设备采用了低功耗蓝牙技术，可以与智能手机应用程序进行无线连接，让用户实时了解自己的疼痛管理情况。Quell的应用程序提供了多种功能，包括疼痛管理、冥想和专注练习等。用户可以在应用程序中设置自己的疼痛管理计划，并跟随Quell的反馈来缓解自己的疼痛。Quell还可以记录用户的脑波数据，让用户了解自己的疼痛管理情况，从而更好地控制自己的疼痛。除了Quell，Blackrock Neurotech还开发了一系列其他的神经科学产品，如“Think”和“Attune”等。Think是一款可以监测和反馈大脑活动的可穿戴设备，主要用于研究和诊断注意力缺陷多动障碍（ADHD）等心理问题。Attune是一款可以监测和反馈情绪的可穿戴设备，主要应用于情感识别和心理健康管理等领域。五、NeuroLutionsNeuroLutions是一家人工智能公司，总部位于美国马萨诸塞州沃尔瑟姆市。它的目标是利用神经科学技术和人工智能技术，为人们提供更好的健康和生活体验。NeuroLutions主要开发神经科学技术产品，如脑电图（EEG）、多通道生物电位记录器（EOG）和脑部活动监测设备（BAE）等，以及提供神经科学解决方案。该公司利用AI技术分析EEG和EOG信号以及行为数据，以帮助客户研究和开发治疗方法和产品。NeuroLutions的客户包括医疗设备公司和制药公司等。该公司的神经科学解决方案可以帮助客户更好地了解大脑活动和认知过程，从而提高治疗和诊断的准确性。此外，NeuroLutions还与游戏和娱乐公司合作，提供脑机接口解决方案，以帮助客户开发更智能和更具互动性的游戏和服务。

近日，清华大学电子工程系黄翊东教授团队崔开宇副教授带领学生在超光谱成像芯片的研究中取得重要进展，研制出国际首款实时超光谱成像芯片，相比已有光谱检测技术实现了从单点光谱仪到超光谱成像芯片的跨越，期刊《科学》（Science）综述论文“光谱仪的小型化”（“Miniaturization of Optical Spectrometers”）将这一超光谱成像芯片技术列为该领域最新的研究成果。光谱作为物质的指纹，光谱成像可以获取成像视场内各像素点物质的组分和含量，为智能感知技术开拓了一个新的信息维度，在工业自动化、智慧医疗、机器视觉、消费电子等诸多领域有着巨大的应用需求。然而传统基于分光原理的单点光谱仪体积庞大，已有的光谱成像技术一般只能采用逐点逐行扫描或波长扫描的模式，无法获取视野场景中各像素点高精度的实时光谱信息。该成果研制的国际首款实时超光谱成像芯片如图1所示。通过硅基超表面实现对入射光的频谱域调制，利用CMOS图像传感器完成频谱域到电域的投影测量，再采用压缩感知算法进行光谱重建，并进一步通过超表面的大规模阵列集成实现实时光谱成像。该款实时超光谱成像芯片将单点光谱仪的尺寸缩小到百微米以下，空间分辨率超过15万光谱像素，即在0.5 cm2芯片上集成了15万个微型光谱仪，可快速获得每个像素点的光谱，工作谱宽450~750 nm，分辨率高达0.8nm。研究团队与清华大学生物医学工程系洪波教授团队合作，基于该实时超光谱成像芯片首次测量了活体大鼠脑部血红蛋白及其衍生物的特征光谱的动态变化，时间分辨率高达30Hz。通过实时光谱成像，可获取大鼠脑部不同位置的动态光谱变化情况，结合血红蛋白的特征吸收峰，分析获取对应血管区和非血管区血红蛋白含量的变化情况，并可利用神经血氧耦合的机制得出脑部神经元的活跃状态。图1. 国际首款实时超光谱成像芯片及其性能指标团队进一步提出了一种自由形状超原子（Freeform shaped meta-atoms）的超表面设计方法，突破了规则形状的超表面设计限制，研制出基于自由形状超原子的超表面光谱成像芯片，取得了更优异的光谱成像性能（图2）。对宽谱光和窄谱光进行测量重建的结果表明，窄谱光重建的中心波长偏差标准差仅为0.024 nm。24色标准色卡的平均光谱重建保真度达到了98.78%。该研究工作进一步提升了超表面光谱成像芯片的性能，推动了未来光谱成像芯片的发展及其在实时传感领域的应用。图2. 基于自由形状超原子的超表面光谱成像芯片及其性能指标该项成果的实时超光谱成像芯片是微纳光电子与光谱技术的深度交叉融合，作为光谱技术的颠覆性进展，展示出在实时传感领域的巨大应用潜力，相关成果已进行产业化。上述研究成果以“基于可重构超表面的实时超光谱成像芯片及动态脑光谱获取”（Dynamic brain spectrum acquired by a real-time ultraspectral imaging chip with reconfigurable metasurfaces）为题在《光学设计》（Optica）发表。电子系2017级博士生熊健、博士后蔡旭升、副教授崔开宇为该论文的共同第一作者。崔开宇为论文的通讯作者。该工作得到了包括科技部重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科技计划、北京市自然科学基金、北京量子信息前沿科学中心、北京量子信息科学研究院的支持。同时，研究成果还以“基于自由形状超原子超表面的超光谱成像”（Ultraspectral Imaging Based on Metasurfaces with Freeform Shaped Meta-Atoms）为题于期刊《激光与光子学评论》（Laser & Photonics Reviews）发文。电子系2018级博士生杨家伟为该工作的第一作者。崔开宇副教授、黄翊东教授为论文的通讯作者。该工作得到了包括科技部重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科技计划、北京市自然科学基金、北京量子信息前沿科学中心、北京量子信息科学研究院的支持。

类器官技术已进入新的发展阶段，技术发展重点主要包括器官芯片、AI高通量自动化、类器官样本库及药敏检测等，在疾病发生机理、新靶点发现、诊疗新策略探索、药敏检测、新药研发、再生医学等多方向拥有广泛的应用前景。为加强创新细胞分析技术与方法的交流，把最新的细胞分析技术与方法推介给广大生物医药领域用户，仪器信息网将于2024年07月03日举办第七届细胞分析网络会议（iConference on Cell Analysis，iCCA 2023）。会议依托成熟的网络会议平台，将为广大科研工作者、相关从业者提供一个突破时间地域限制的免费交流、学习平台，让大家足不出户便能聆听到精彩报告。报名链接及日程二维码https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/icca2024/ 【类器官与器官芯片】分会场精彩预览：报告主题：干细胞与血管类器官报告嘉宾：王凯北京大学 研究员严重下肢缺血（Critical limb ischemia, CLI）是由于下肢动脉狭窄或闭塞、血流灌注不足，从而导致下肢疼痛、溃疡或坏疽甚至截肢。目前，CLI的治疗尚无彻底治愈的药物，主要依赖于外科治疗，旨在通过绕过或消除动脉阻塞来重建血运，亦有复发的风险。针对以上的治疗困境，干细胞治疗等新疗法将为这些患者带来新的希望。本项目利用IPS衍生出来的可注射血管类器官在体内极强的生成血管的能力，有望孵化出一种新的细胞治疗方法，用于下肢缺血的治疗。报告主题：安捷伦细胞分析助力类器官研究报告嘉宾：周鑫安捷伦细胞分析事业部 产品应用经理1. 安捷伦类器官成像分析解决方案 2. 安捷伦类器官能量代谢分析Seahorse XF技术解决方案 3. 类器官分析案例分享报告主题：复杂类器官构建及其疾病应用报告嘉宾：冷泠中国医学科学院北京协和医院 教授冷泠研究团队基于空间基质组学技术及其研究成果，创建了多种复杂类器官模型，进行微生物感染致病机理、罕见病发病机制病等多项研究，推动类器官在罕见病治疗和药物筛选中的应用。报告主题：Hamilton自动化在细胞培养和3D类器官培养中的应用报告嘉宾：万米根哈美顿（上海）实验器材有限公司 应用工程师干细胞类的细胞系的培养一直是细胞培养中的难点。不合适的培养操作方式会对细胞克隆产生多种刺激导致细胞异常分化，细胞密度、克隆状态等因素也对干细胞的状态产生影响。Hamilton自动化液体处理系统可以自动化完成细胞接种、传代、维持培养和融合度检测等操作。3D类器官培养是疾病模型、体外药物发现和细胞治疗的重要工具。类器官药物敏感性高通量检测涉及患者类器官在微孔板（通常为96、384甚至1536孔板）中的分装、大规模药物微量施加、药物敏感性判读等多个关键环节。自动化液体处理系统可以通过控制关键因素确保整个过程的标准化，这包括培养液的自动配制、自动温敏基质胶铺板、类器官传代与铺板、自动孵育、自动高内涵染色和自动检测等多个环节。Hamilton专利的MagPip移液通道可实现基质胶和类器官的快速铺板。该系统的高精度和稳定性保证了实验结果的准确性和可靠性，助力生物医学领域的研究和创新。报告主题：工程化的胰岛类器官在糖尿病治疗中的应用报告嘉宾：王茜北京大学第三医院 研究员中国正面临着糖尿病带来的巨大医疗和经济负担，随着干细胞分化的蓬勃发展，干细胞来源胰岛类器官有望提供无限的细胞来源并应用于糖尿病患者的临床治疗中，然而其中的科学难题包括免疫排斥、缺血缺氧等仍亟待解决。针对上述关键科学问题，王茜研究员构建了一系列安全性、可大规模生产的可植入免疫隔离装置、仿生支架材料和功能增强型干细胞，用于高效地递送细胞及提高细胞移植后的存活率。报告主题：类器官模型建立和检测的要点梳理报告嘉宾：鲁扬赛默飞世尔科技 现场应用专家器官研究近几年有了迅速发展。随着多种自定义类器官模型的涌现，研究者也提出了诸如质量控制，形态观察和功能检测等更多需求。本次报告拟对类器官模型建立和检测过程中的主要步骤做出汇总和梳理，为研究者提供类器官研究的整体解决方案。报告主题：脑类器官及其在脑发育、脑疾病和系统互作模拟中的应用报告嘉宾：马少华清华大学深圳国际研究生院 副教授脑类器官，由胚胎干细胞或诱导多能干细胞培育而成，能够在体外模拟人脑的发育和功能，以及在体外模拟脑疾病的发生、发展以及治疗干预。此外，脑类器官通过与多器官、组织和细胞的共培养，能够探究神经系统与其他系统如免疫系统之间的互作及其调控机制，为脑科学研究和理解器官间的相互作用和维持生理稳态提供先进的研究工具。报告主题：一种类器官的电活动检测分析方法报告嘉宾：刘晓燕上海科技大学 工程师类器官作为目前研究的前沿技术之一，在疾病建模，抗癌药物筛选，药物毒理检测，基因和细胞疗法的领域有广大的应用前景。对于可以检测动作电位的类器官如心肌类器官，类脑器官而言，电生理活性检测是判断类器官是否能够模拟在体器官的标准之一。基于此向大家分享类器官简单培养方法的基础上，为大家介绍一种无创的可以实时监测类器官电生理活性的一种检测方法。此方法通过对类器官放电进行收集和处理，可以输出脑类器官的动作电位发放频率，发放数目，也可输出心肌类器官的FPDc，收缩频率，跳动频率等相关的心电图检测指标。可以更无创准确的反应类器官的电生理活性从而判断类器官的状态。

p 　　在高通量检测这个领域里，基因芯片和二代测序这对相爱相杀的cp，原本均是了解基因组结构和功能的绝佳高手，如今为了一争高下，又是闹的不开交。这不，基因芯片仗着自己老大哥的身份，手持一个二维的DNA探针阵列所形成的三维地图，以数以万计的探针做方向标，能按图索骥的找到基因组的特定位置，且结合完整成熟的指控分析手段能快狠准地筛选出所需基因，颇有几分笑傲江湖的气势。 /p p 　　然而，RNA测序技术作为后起之秀，不仅能轻而易举地解读由转录组组成的生命杂志，就连探索新的突变位点以及新基因之事也都不在话下。这锋芒毕露的架势，显然来势汹汹，眼瞅着就要把这些年略显沉寂的芯片老大哥给打压下去，成为高通量领域里独霸一方的势力了。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/8c73f0be-2d3e-4e84-9f49-5786741c3761.jpg" title=" 1_副本.jpg" / /p p 　　至此，进入看戏模式的吃瓜群众—科研者们，虽然表面看的热闹，其实内心深处也颇为纠结，万一哪天真要战队，我该支持谁呢?芯片与测序各有所长，均可大放异彩，到底谁才是笑到最后的那一个呢? /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/e15996d6-6b43-449b-80c9-97549b40c1b5.jpg" title=" 2_副本.jpg" / /p p 　　 strong 芯片vs测序，各领风骚 /strong /p p 　　BMC Genomics 的一篇文章，似乎能为一众心有存疑的科研者们指点迷津。它以9对肺鳞状细胞癌配对样本为材料，分别用Affymetrix HumanTranscriptome Arrays 2.0 (HTA)(最新一代全转录本表达谱芯片)和IlluminaHiSeq 2000检测平台，以测序200 M reads为基础，深入比较了芯片和测序在转录本定量检测和可变剪切方面的情况。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/7b5346c1-9428-4175-9c20-e124593c032d.jpg" title=" 3_副本.jpg" / 　　 /p p 　　首先，就检测基因覆盖范围而言，芯片和测序均可检测到Ensembl数据库中92%的mRNA和90%的lncRNA，可以说是不相上下，打成平局。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/13816e2d-3080-49c0-8bbf-3b5cdc5be00d.jpg" title=" 4.jpg" / /p p 　　而在正常和肿瘤组织生物学重复比较分析，发现在低表达基因上，RNA-seq检测的样本可变性更大，而芯片则没有表达高低的偏好性，说明HTA芯片的稳定性比RNA-Seq更好。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/3c6e066a-e72f-476c-944f-a1ecce34aba6.jpg" title=" 5_副本.jpg" / /p p 　　至于灵敏度，依据检测信号分布强度(log2 intensity values)，HTA的变化范围在3到13之间，而RNA-seq则在-1到14之间，其动态范围更大，可减少一些漏网之鱼，然而对于一些短片度基因，却是芯片的检测效果更好一些。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/16ef249c-4705-4357-b550-d9df76cce92e.jpg" title=" 6_副本.jpg" / /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/3852ba85-0af6-49fc-a736-c1263830d82e.jpg" title=" 7_副本.jpg" / /p p 　　而非配对差异分析结果中，在mRNA差异检出数量中，HTA对比RNA-seq分别是6173和4777(3683为共有) 在lncRNA差异检出数量中，HTA对比RNA-seq分别是1219和892(376为共有)。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/c059d73f-1a2f-4e0d-8ea0-ce0b5b9685ac.jpg" title=" 8_副本.jpg" / /p p 　　显然，对同样疾病样本在TCGA上的数据分析比较，差异基因中，无论是mRNA，还是lncRNA，芯片与TCGA吻合的基因数量更多。 /p p 　　另外，欲寻找疾病诊断标记物的小伙伴可要记住了，无论是mRNA或者lncRNA，HTA平台有更多的基因可作为biomarker。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/0027ac75-413f-4086-9d72-06770b0795c9.jpg" title=" 9_副本.jpg" / /p p 　　可变剪切分析是识别基因不同转录本特异性表达的有效手段。其中，RNA-seq可鉴定到23,934个差异exons，HTA鉴定到26,999个差异exons(3698个共有)。Junctions差异鉴定，RNA-seq为7063个，HTA为40,384个(1551个共有)。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/65decf29-9cf4-447c-ae58-e0d4e52be113.jpg" title=" 10_副本.jpg" / /p p 　　综合两者分析显示，只有207个mRNAs的可变剪切结果在两个平台能同时出现。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/52dec63a-ad47-4699-9486-235bf5607912.jpg" title=" 11_副本.jpg" / /p p 　　总体来说，这两种技术各有千秋，各具特色，在应用方面也可以说是平分秋色，各领风骚。简单说来，两者都在为筛选目的基因添砖加瓦，既如此，何不都拿来为我所用呢。更何况，有时强强联手，反而会碰撞出美丽的火花，说不定还会产生翻倍的效果。 /p p 　　 strong 芯片联手测序之案例分析 /strong /p p 　　于是，有些雷厉风行的研究者就立刻行动起来。这不，Nature Communications的一篇研究肝纤维化(肝内细胞外间质成分ECM积累造成)文章就充分向大家展示了，芯片在与测序联手后，是如何玩转对下游靶基因的筛选，进而完美实现了两手都要抓，两手都要硬的大纲领。 /p p 　　 strong 1.基因芯片打头阵，筛出肝纤维化相关lncRNA /strong /p p 　　在构建肝纤维化的小鼠模型后，通过基因芯片筛选共得到了266个lncRNA和1007个mRNA上调，447个lncRNA和519个mRNA下调。基于共表达分析和RT-PCR验证，研究人员筛选到了NONMMUT013861等10个与CCl4诱导肝纤维化相关的lncRNA。而经验证，只有lncRNA—lnc-LFAR1是在肝脏中特异性表达的。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/6a54e37f-9cdd-45ac-8821-6273722e6a09.jpg" title=" 12_副本.jpg" / /p p 　　 strong 2.RNA-seq送助力，筛选下游靶基因 /strong /p p 　　在肝纤维化过程中，肝星形细胞(HSCs)的激活至关重要。因而，研究者探索了lnc-LFAR1在HSCs中的下游调控基因，即用shRNAs敲降了lnc-LFAR1后，二代测序筛选下游差异变化基因。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/5b9b6140-c524-4d0e-b61c-d7f4594a767d.jpg" title=" 13_副本.jpg" / /p p 　　通过对差异的2023个mRNA的GO与KEGG通路富集，发现主要富集到ECM过程基因和ECM-受体作用通路。显然，在HSCs中，lnc-LFAR1调控了ECM基因。 /p p 　　 strong 3.基因芯片再出马，体内变化基因跑不了 /strong /p p 　　研究者已然证明了敲降lnc-LFAR1后影响TGFβ诱导的HCs凋亡，为了验证体内基因的相关变化，先在小鼠中shLFAR1干扰其表达，CCl4诱导肝纤维化，基因芯片筛选下游变化mRNA。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/f99c5522-83bc-44eb-9423-0a950e38535c.jpg" title=" 14_副本.jpg" / /p p 　　结果显示，小鼠体内lnc-LFAR1的低表达，使得肝细胞在CCL4诱导下，其下游变化的基因显著减少，只有292个上调，112个下调。GO和KEGG 通路分析也显示，lnc-LFAR1沉默影响的下游基因主要是胶原纤维组织和 TGFβ 受体信号通路，并进一步确定了 lnc-LFAR1的敲降使得CCl4和BDL诱导的肝纤维化会被显著减弱。 /p p 　　至此，芯片与测序的轮番出击，体内外实验的联合轰炸，使得lnc-LFAR1在肝纤维过程发挥作用成为了一件板上钉钉的事儿了。至于下游所发生的具体作用机制，文章中也通过了大量实验对其进行了阐释，并获得以下信号通路图。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/1c11d572-d443-4851-8dab-5b3f25f9f4c1.jpg" title=" 15_副本.jpg" / /p p 　　其中，lnc-LFAR1与磷酸化Smad2/3之间存在正反馈，并会调控胞内notch、炎症和凋亡相关等信号通路，进而调节肝纤维化过程。此时，文章才算讲述了一个完整的故事。显然，故事中测序与芯片无疑为筛选该故事的主角和下游基因的筛选起到了举足轻重的作用。 /p p 　　所以，各位小伙伴们，争议这两个技术孰优孰劣，真的没有意义。毕竟，“黑猫，白猫，能抓老鼠的就是好猫”，既然两只猫都能抓到老鼠，又何必在意它的颜色呢。 /p p 　　至于实际实验操作中，是在两者之间有所取舍，又或是两者结合使用，小编的建议是，选择对的就好。只有两个都用过了，你才会知道谁更适合自己。 /p

Science期刊封面近日，由杭州华大生命科学研究院主导，联合来自3个国家的17个单位的科学家共同组成的研究团队分析比较了蝾螈脑发育和再生过程，构建了首个蝾螈脑再生时空图谱，这也是全球首个脑再生时空图谱。9月2日，相关成果以背靠背封面文章的形式发表于国际顶级学术期刊Science。至此，短短半年内，华大时空组学与单细胞技术的相关研究成果已连续四次在《细胞》《自然》和《科学》三大顶级期刊发表，实现了大满贯。人类大脑在受伤之后，很难自行恢复，但是两栖类模式动物墨西哥钝口螈（Ambystoma mexicanum）可以。大脑再生是一个复杂的生物学过程。在这个过程中，发生了哪些关键的变化，有哪些重要的细胞参与？它们又分别行使了哪些功能？通过研究，研究团队找到了蝾螈脑再生过程中的关键神经干细胞亚群，描绘了此类干细胞亚群重构损伤神经元的过程，同时还发现脑再生与发育过程具有一定的相似性，为认知脑结构和发育过程提供助力，为神经系统的再生医学研究和治疗提供新的方向。在具体的研究中，要知道大脑是怎么再生的，研究团队先要了解大脑是如何发育来的。于是，研究团队利用堪称超广角百亿像素“生命照相机”的时空组学技术Stereo-seq，在蝾螈脑发育的6个重要时期，分别“拍摄”“照片”，这组“照片”就构成了蝾螈的脑发育时空图谱。通过它们，研究团队能够“看到”蝾螈脑在发育的过程中，各类神经元的分子特征以及空间分布动态变化。结果发现，蝾螈脑从青少年时期就开始特化出具有空间区域特征的神经干细胞亚型。那大脑受到损伤后再生的过程是如何的呢？研究团队对蝾螈脑的皮层区域进行机械损伤手术，并在损伤后的第2、5、10、15、20、30及60天，利用时空组学技术Stereo-seq对大脑样本进行“拍照”，得到各个时间点的蝾螈脑再生图集，完整记录了蝾螈大脑从损伤，到再生修复完成的过程。这就像对蝾螈大脑恢复过程定期做一个X光检查。不过，得到的片子可比X光片清晰度高多了，不只能看到大脑的形状，还能持续放大，看到大脑里的细胞，以及细胞里的分子变化状态。通过对比7个时期再生“照片”和过程中的伤口状态，研究团队发现，伤口区域在损伤早期就出现了新的神经干细胞亚群，这群重要的细胞由损伤区域附近的其他神经干细胞亚群在受到损伤刺激后转化而来，并在后续的再生过程中新生出神经元以填补损伤部位缺失的神经元。此外，虽然伤口处在修复早期便开始逐步被新生组织填充，但直到损伤后第60天，“照片”才显示损伤区域的细胞类型及空间分布恢复到了未损伤侧的状态。蝾螈脑再生时空图谱图片来源于Science最后，研究人员还对比了蝾螈脑发育和再生过程的神经元形成过程，发现这一过程在再生与发育过程中高度相似，或许脑损伤诱导了蝾螈神经干细胞逆向转化，回到发育时期的年轻化状态，以启动再生过程。论文的共同通讯作者、杭州华大生命科学研究院顾颖博士表示：“蝾螈在进化上相较于其他硬骨鱼类更高等，与哺乳动物脑结构具有更高的相似度。同时，它的基因编码序列与人类极其相似，研究蝾螈脑再生的启动机制，发现其中的关键基因，或将为人类神经系统损伤或退行性疾病的修复提供重要指导。”蝾螈脑再生过程中的关键基因，在人类的基因序列中也存在。那为什么其没有像在蝾螈脑中一样发挥再生的作用？这或许会是科学家下一步研究的课题。技术的发展让本研究的推进成为可能，“本研究主要基于华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq进行，其达到了纳米级亚细胞分辨率，结合蝾螈细胞体积大的优势，使得研究人员可以在时空单细胞分辨率上解析蝾螈脑再生这一过程的重要细胞类型，并追踪其细胞谱系变化的空间轨迹。”论文的第一作者、杭州华大生命科学研究院魏小雨博士介绍说。“蝾螈脑发育及再生时空细胞图谱的构建，对于我们理解脑再生这一重要的生命过程、两栖类动物脑结构以及大脑结构的演化具有重要意义，为我们寻找有效的临床治疗方法，促进人类组织器官自我修复与再生提供了新的方向，也为物种进化研究提供了宝贵的数据资源。”论文的共同通讯作者、华大生命科学研究院院长徐讯表示，“未来，我们还将通过时空多组学技术去探究更多器官、更多物种的发育和再生过程，找到再生过程中的关键调控机制，助力人类再生医学的发展。”

导读2019年，“非洲猪瘟”疫情持续，为全面提升动物疫病防控能力，中国动物卫生与流行病学中心与中国动物疫病预防控制中心于去年8月编制了非洲猪瘟病毒检测操作试行规程。该规程从分子生物学角度出发，针对非洲猪瘟病毒核酸进行检测，主要方式为常规PCR检测和实时荧光PCR检测。多种病毒同时检测是常规PCR方法的特点。 微芯片电泳仪MultiNA是常规PCR检测方法之一，快速自动化的方式检测多重PCR扩增产物，可适用于古典猪瘟病毒、非洲猪瘟病毒、禽流感病毒、冠状病毒等各类RNA、DNA病毒。 下面以古典猪瘟病毒检测方法为例，介绍MultiNA在病毒检测中的应用。 ★古典猪瘟病毒检测方法★基于病原学检测指南的古典猪瘟病毒标准检测流程古典猪瘟病毒(CSFV)是一种单股正链RNA病毒，属于黄病毒科瘟病毒属。CSFV在抗原和结构方面与牛病毒性腹泻病毒(BVDV)和边境病病毒(BDV)非常相似，属于同一属。病原学检测指南中，可以使用RT-PCR方法检测瘟病毒属的扩增片段。这些扩增产物被限制性内切酶切断，进一步通过微芯片电泳仪MultiNA检测，确定是否古典猪瘟病毒(CSFV)。MultiNA应用于野猪来源的古典猪瘟病毒检测古典猪瘟病毒也会感染野猪，是引发古典猪瘟的感染途径之一，通常用病原学检测方法确认野生动物的感染情况。在这里我们介绍，使用MultiNA进行野猪来源的古典猪瘟病毒检测的方法。 注：非洲猪瘟(一种DNA病毒)是一种不同于古典猪瘟的传染病。检测方法为，PCR扩增（扩增产物，231 bp）之后，扩增产物被限制性内切酶切断，并检测出135 bp和96 bp片段。MultiNA的分离能力可以同时满足非洲猪瘟和古典猪瘟。 ★MultiNA特点★MultiNA的3大特点提高实验效率1.是否想要更多时间专注于您的研究和工作？2.是否觉得分析数据和编写报告是件麻烦事？ 3.是否曾经因不明确的结果苦恼过？ ★试剂盒选择★不同的试剂盒的选择即可满足各种应用需求！基因编辑中的应用含有突变位点的区域进行PCR，通过对扩增产物进行变性、退火形成异源双链DNA。MultiNA的高灵敏度、高分辨率可分离检测异源双链DNA，能确认只有链长差异导致很难区分的短突变。NGS中的应用MultiNA带有NGS文库质控所需的弥散（smear）分析软件。

完美光学成像是人类感知世界的终极目标之一，却从根本上受制于镜面加工误差与复杂环境扰动所引起的光学像差。《科学》杂志也将“能否制造完美的光学透镜”列为21世纪125个科学前沿问题之一。近日，清华大学成像与智能技术实验室，提出了一种集成化的元成像芯片架构(Meta-imaging sensor)，为解决这一百年难题开辟了一条新路径。区别于构建完美透镜，研究团队另辟蹊径，研制了一种超级传感器，记录成像过程而非图像本身，通过实现对非相干复杂光场的超精细感知与融合，即使经过不完美的光学透镜与复杂的成像环境，依然能够实现完美的三维光学成像。团队攻克了超精细光场感知与超精细光场融合两大核心技术，以分布式感知突破空间带宽积瓶颈，以自组织融合实现多维多尺度高分辨重建，借此能够用对光线的数字调制来替代传统光学系统中的物理模拟调制，并将其精度提升至光学衍射极限。这一技术解决了长期以来的光学像差瓶颈，有望成为下一代通用像感器架构，而无需改变现有的光学成像系统，带来颠覆性的变化，将应用于天文观测，生物成像，医疗诊断，移动终端，工业检测，安防监控等领域。图1 元成像芯片成像原理与大范围像差矫正效果（来源：Nature）传统光学系统主要为人眼所设计，保持着“所见即所得”的设计理念，聚焦于在光学端实现完美成像。近百年来，光学科学家与工程师不断提出新的光学设计方法，为不同成像系统定制复杂的多级镜面、非球面与自由曲面镜头，来减小像差提升成像性能。但由于加工工艺的限制与复杂环境的扰动，难以制造出完美的成像系统。例如由于大范围面形平整度的加工误差，难以制造超大口径的镜片实现超远距离高分辨率成像；地基天文望远镜，受到动态变化的大气湍流扰动，实际成像分辨率远低于光学衍射极限，限制了人类探索宇宙的能力，往往需要花费昂贵的代价发射太空望远镜绕过大气层。为了解决这一难题，自适应光学技术应运而生，人们通过波前传感器实时感知环境像差扰动，并反馈给一面可变形的反射镜阵列，动态矫正对应的光学像差，以此保持完美的成像过程，基于此人们发现了星系中心的巨大黑洞并获得了诺奖，广泛应用于天文学与生命科学领域。然而由于像差在空间分布非均一的特性，该技术仅能实现极小视场的高分辨成像，而难以实现大视场多区域的同时矫正，并且由于需要非常精细的复杂系统往往成本十分高昂。早在2021年，自动化系戴琼海院士领导的成像与智能实验技术实验室研究团队发表于《细胞》杂志上的工作，首次提出了数字自适应光学的概念，为解决空间非一致的光学像差提供了新思路。在最新的研究成果中，研究团队将所有技术集成在单个成像芯片上，使之能广泛应用于几乎所有的成像场景，而不需要对现有成像系统做额外的改造，并建立了波动光学范畴下的数字自适应光学架构。通过对复杂光场的高维超精细感知与融合，在具备极大的灵活性的同时，又能保持前所未有的成像精度。这一优势使得在数字端对复杂光场的操控能够完全媲美物理世界的模拟调制，就好像人们真正能够在数字世界搬移每一条光线一样，将感知与矫正的过程完全解耦开来，从而能够同时实现不同区域的高性能像差矫正。图2 元成像芯片——单透镜高性能成像（来源：Nature）传统相机镜头的成本和尺寸都会随着有效像素数的增加而迅速增长，这也是为什么高分辨率手机成像镜头即使使用了非常复杂的工艺也很难变薄，高端单反镜头特别昂贵的原因。因为它们通常需要多个精密设计与加工的多级镜片来校正空间不一致的光学像差，而如果想进一步推进到有效的十亿像素成像对传统光学设计来说几乎是一场灾难。元成像芯片从底层传感器端为这些问题提供了可扩展的分布式解决方案，使得我们能够使用非常简易的光学系统实现高性能成像。在普通的单透镜系统上即可通过数字自适应光学实现了十亿像素高分辨率成像，将光学系统的成本与尺寸降低了三个数量级以上。除了成像系统存在的系统像差以外，成像环境中的扰动也会导致空间折射率的非均匀分布，从而引起复杂多变的环境像差。其中最为典型的是大气湍流对地基天文望远镜的影响，从根本上限制了人类地基的光学观测分辨率，迫使人们不得不花费高昂的代价发射太空望远镜，比如价值百亿美元的韦伯望远镜。硬件自适应光学技术虽然可以缓解这一问题并已经被广泛使用，但它设计复杂，成本高昂，并且有效视野直径通常都小于40角秒。数字自适应光学技术仅仅需要将传统成像传感器替换为元成像芯片，就能为大口径地基天文望远镜提供了全视场动态像差矫正的能力。研究团队在中国国家天文台兴隆观测站上的清华-NAOC 80厘米口径望远镜上进行了测试，元成像芯片显著提升了天文成像的分辨率与信噪比，将自适应光学矫正视场直径从40角秒提升至了1000角秒。图3 清华-NAOC 80cm口径望远镜40万公里地月观测实验（来源：Nature）元成像芯片还可以同时获取深度信息，比传统光场成像方法在横向和轴向都具有更高的定位精度，为自动驾驶与工业检测提供了一种低成本的解决方案。而在未来，课题组将进一步深入研究元成像架构，充分发挥元成像在不同领域的优越性，建立新一代通用像感器架构，从而带来三维感知性能的颠覆性提升，或可广泛用于天文观测、工业检测、移动终端、安防监控、医疗诊断等领域。上述成果于2022年10月19日以“集成化成像芯片实现像差矫正的三维摄影”（An integrated imaging sensor for aberration-corrected 3D photography）为题以长文（Article）的形式发表在《自然》（Nature）杂志上。清华大学自动化系戴琼海院士、电子系方璐副教授为该论文共同通讯作者；自动化系吴嘉敏助理教授、清华-伯克利博士研究生郭钰铎、自动化系博士后邓超担任共同一作；自动化系乔晖助理教授、以及清华-伯克利生张安科、清华大学自动化系卢志、清华大学自动化系谢佳辰三位博士研究生共同参与了该工作。该工作受到了国家自然科学基金委与国家科技部的资助。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05306-8

2014是充满惊喜的一年。在这一年中，以谷歌、百度、IBM、微软等为主的国内外著名科技公司通过不断地研发创意新品来进行智能化探索，这些创新领先的技术及产品让人们一次次打开脑洞、直面未知、憧憬无限。它们是否真的找到了那扇最终通向未来世界的大门?我们不得而知，但我们心里清楚，在一座已知与未知的天平上，享受着改变世界的狂喜，也忍受了不被读懂的孤独，这或许就是科技的魅力所在。 　　谷歌：一副可以监测血糖的隐形眼镜 　　谷歌这一年屡次传出正在酝酿的奇思妙想似乎都能让听者为之一振，从无人驾驶汽车、到超级巨型显示屏，再到智能汤勺，甚至是可以在血液中&ldquo 搜索&rdquo 癌细胞的新药品，这些都让众人欣喜若狂。 　　今年年初，谷歌推出了一款具备血糖监测功能的隐形眼镜，让不少人的眼前为之一亮。这幅眼镜可以通过分析眼泪成分，检测出人体内的血糖浓度，从而指导糖尿病患者调整胰岛素的注射量，让他们摆脱对血糖仪的依赖。 　　这款外观和普通隐形眼镜十分相似的产品，在镜片上实则布满了成千上万个微型晶体管，而镜片外延则被细如毛发的触角所环绕。谷歌团队为这款设备量身订做了一款无线芯片，并使用先进的工程技术使其能够与电路和传感器在微小的空间中&ldquo 协作&rdquo 。此外，研究人员还专门为这款设备打造了一套全新充电系统，让&ldquo 眼镜&rdquo 可以依靠无线电频来获取能量。 　　令人遗憾的是，这款炫酷多用的眼镜目前还只是设计模型，至少需要5年时间才能与消费者真正见面。 　　IBM：一块模仿人类大脑的芯片 　　如何让机器像人一样思考、行事，一直都是人工智能科学家们的终极努力目标。今年8月，IBM宣布开发出一款仿人脑微芯片TrueNorth，可在进行计算时模仿人脑结构和信息处理方式，这一技术或将在计算机行业掀起一场革命。 　　据了解，TrueNorth包含54亿个晶体管，比传统PC处理器的四倍还多。根据人脑神经系统中神经元和神经突触的结构，相当于100万个神经元和2.56亿个突触，具有4096个相互连接的处理核。与传统芯片总是在运行不同，TrueNorth只在需要时运行，使所消耗能量和运行环境温度大为降低。它运行期间功率仅为70毫瓦，其运算能力可折合为每瓦功率下每秒460亿次。 　　TrueNorth有可能会激发一些类似人脑功能的应用创新，虽然这类应用还受制于计算机硬件性能，但TrueNorth可能给括云服务、智能手机、机器人、物联网、超级计算机等在内的多个领域带来革命。而且，据美国媒体报道，这个项目属于IBM一个更大的研究计划，受到美国国防部高级研究项目局资助，旨在模拟生物神经系统开发高性能低能耗的芯片，用于军用无人机和神经科学实验等领域。 　　微软：一台可以打印&ldquo 所有&rdquo 的打印机 　　早在去年十一月份，微软便发布了一款基于Windows8.1的3D打印免费应用软件&mdash &mdash 3D Builder。虽然这只是微软进入3D打印领域的一小步，但却象征着微软敲响了进入3D打印市场的前奏。而在今年的9月，3D Builder的更新版本&mdash &mdash 3D Builder App R5发布，据称，这次发布还使微软和3D打印巨头之一的3D Systems建立了合作关系。　　新的打印程序添加了云功能，用户不需要拥有打印机，只要轻松设计，点击Buy Print，将设计的3D模型发送给3D Systems公司的在线3D打印服务平台&mdash &mdash Cubify即可。Cubify还提供了很多可选的材料，包括不透明、磨砂的塑料、金属、混合塑料、全彩的&ldquo Colorstone&rdquo 、甚至陶瓷等。一旦用户下单购买，3D Systems会在两周左右将成品送到用户门口，让普通人也可以享受3D打印的便捷和乐趣。 　　英国初创：一个智能玻璃打造的&ldquo 光子空间&rdquo 　　英国初创企业有一项&ldquo 光子空间&rdquo 计划，致力于建造世界上第一个全部由智能玻璃打造的未来式住宅，通过让住户与外界进行最大程度的连同，从而彻底改变人类的生活方式。 　　据介绍，我们平日感受到的自然光对我们的能源水平、睡眠模式还有整体健康方面都有着巨大的好处，而&ldquo 光子空间&rdquo 的设计灵感便来源与此：外部由智能玻璃组成，其涂层可以部分阻挡红外线、完全阻挡紫外线，避免过多的暴露对人类的伤害。这种玻璃在智能手机应用的控制下，只需1秒钟便可完成在透明和不透明状态之间的切换。它的亮度也是可以调节的。 　　据悉，&ldquo 光子空间&rdquo 只需四周时间即可建造完成，可成为酒店、水疗中心、健康疗养所、医疗中心以及其他度假村的理想附属建筑，目前&ldquo 光子空间&rdquo 的筹资活动正在众筹平台Crowdcube上进行。 　　后记： 　　科技不仅在改变着我们现在的生活，更是在改写着人类的未来轨迹。我们应该庆幸在这个世界上有一大批脑洞大开的科学家和工程师们，他们的努力让未来的每一天都充满了可能性。新的一年，还将发生怎样的精彩?值得期待!

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微结构大赛艺术创新组作品着重于对所拍摄图片的学术背景、艺术美化效果和寓意等的重点考察，虽然已经见识过不少历届优秀作品，但是看到本届获奖作品后，还是令人直呼脑洞大开，确确实实再一次被惊艳到了。2018年6月至10月，历时四个多月，第四届“微世界之光—新时代与新材料”全国大学生微结构摄影大赛终于落下帷幕，本届大赛共收到了来自28所高校、研究院所的230余幅作品，经过一轮轮严格的资格审查、专家遴选以及激烈的网络投票，最终角逐出20幅艺术创新组作品和8幅技术创新组作品进入决赛环节。10月21日，第四届全国大学生微结构摄影大赛决赛暨“材料显微结构表征技术”学术论坛在南昌大学举办，最终进入大赛决赛的28位参赛选手对各自参赛作品进行了7分钟的介绍，经过四个多小时的答辩评审，本次大赛最终决出艺术创新组特等奖1名、二等奖5名、三等奖14名，技术创新组一等奖4名、二等奖4名，大赛主办方为获奖选手现场颁发了丰厚的现金奖励！ 第四届全国大学生微结构摄影大赛决赛现场本次微结构摄影大赛也受到了TESCAN公司的大力支持，作为电子显微领域联用创新技术及“微分析综合解决方案”引领者，TESCAN作为冠名赞助商之一倾情赞助了本次微结构大赛。更令人惊喜的是，本次大赛艺术创新组特等奖作品“石墙上的舞者”及二等奖作品“腐草为萤”、“地月之吻”等均采用TESCAN扫描电子显微镜拍摄。大赛艺术创新组作品着重于对所拍摄图片的学术背景、艺术美化效果和寓意等的重点考察，虽然已经见识过不少历届优秀作品，但是看到本届获奖作品后，还是令人直呼脑洞大开，确确实实再一次被惊艳到了。那么本次大赛中到底有哪些采用TESCAN扫描电子显微镜拍摄的令人惊奇的脑洞作品呢？一起来看看吧~作品《石墙上的舞者》作者：张建飞 导师：王波 西安交通大学 一缕轻柔的阳光顺着石墙洒落在这女子身上，她鸭蛋脸面，俊眼修眉，粉面上一点朱唇，神色间意气风发，一袭墨黑淡雅长裙，红发侧披如瀑，素颜清雅面庞淡然笑；她张开双臂，纤足轻点，衣决飘飘，宛若仙子一般，在阳光下旋转、跳跃。此刻，她是自由的，她冲破这象征着世俗与偏见的石墙，拥抱阳光，翩翩起舞。生命中有许许多多有形无形的石墙，它很坚硬，因为它代表着名利、世俗和心底的恐惧，打破它吧，寻找真正的自我。（ 在盯着右侧这张原始电镜图片长达几个小时之后，我还是没有看出来有丝毫“在石墙上翩翩起舞的女郎”的影子...不就是不同灰度的成分衬度么......求留言区真相，难道我是一个人。。。） 原图材料：碳化硅-环氧树脂复合材料样品在常温、高真空的环境中，借助钨灯丝扫描电子显微镜使用背散射电子对碳化硅-环氧树脂复合材料断口进行拍摄。如图所示，穿插于图中的亮白色网格线为β-SiC相，经过原位碳热还原反应得到的多孔SiC完整保留了松木的多孔结构，在复合材料中形成连续的导热网络和承载骨架；填充在SiC之间的暗灰色部分为环氧树脂，碳化硅和环氧树脂界面结合紧密，结构完整有序。环氧树脂的内部有一些不规则的阴影和亮线，这是由于环氧树脂断裂所致。作品《腐草为萤》作者：张念、邵杭婷 导师：李明 上海交通大学 《礼记月令》：“季夏之月．腐草为萤．”在古代人们认为是草腐烂后化为了萤火虫，在盈盈的黑夜里发光，从春日里的盎然生机，到黑暗中的星星之火，这也许就是一场重生吧。“作品名字”从一片绿意盎然的颜色，经过岁月热情的炙烤，逐渐融化，重生，像黑夜里的萤火虫，渺小而温暖，又像石岩上青苔里窜出的小花，倔强又美好。这或许就是生命的过程吧。初如一片稚嫩的绿荫，在慵懒的暖风里成长，随着时间的车轮碾过，伤痕累累，却终究不会臣服于苦难，化为夜里的萤火，化作峭壁的野花，经过沉淀，换了一种新的姿态，更好的存在。 （...夜里的萤火？峭壁的野花？......为什么我只看到了“某种材料”的边缘形貌。。。） 原图材料：Ni的石墨片此图为扫描电镜下观察到的镀覆Ni的石墨片的边缘形貌。通过此图可以看出，石墨片的镀层较均匀，未出现明显包覆不周的现象。 作品《地月之吻》作者：何丹阳 导师：曹丽云 陕西科技大学 宇宙浩瀚，星汉灿烂。从陆地到太空，这是探索，更是长征。在寥廓而深邃的宇宙中，温文尔雅的“地才子”和聘聘婷婷的“月佳人”时而窃窃私语，时而深情对望，上演了一段浪漫且饱含中国韵味的“地月童话”。 作品描述：仰望星空，北斗环绕，嫦娥伴月，神州起航，天舟穿梭。让“地月”擦出爱的火花，为持续的改变点赞，向未知的寰宇继续进发！（ 看到这里，就突然明白了为什么我只能做一只“技术汪”了。。。）原图材料：MoSi2-ZrB2复合粉末图中的近似球形粉末呈现出明暗相间的纹理脉络，白灰两相分别为ZrB2相（白）与MoSi2相（灰），且白色相犹如粒粒白珍珠镶嵌在灰色相中，错落有致，呈现出材料之美。（更多作品请详见全国大学生微结构摄影大赛官网或大赛微信网络投票通道。）更多详情内容，请关注“TESCAN公司”微信公众号。

历经30年发展，微流控技术已经从最初的毛细管电泳微型化技术，演变成为一种涵盖基础生物技术到生物医学诊断等各个领域的富有活力的工具性方法技术平台。近年来，微流控技术在药物筛选、疾病诊断、食品安全、环境监测等多领域已获得广泛应用。器官芯片是基于微流控芯片与类器官两项技术结合，形成一种通过微芯片制造方法制造的微流体细胞培养设备，利用芯片来构建和模拟人体组织微环境，形成类似于人体微生理系统。器官芯片应用广泛，在高通量药物筛选、药物吸收代谢、药物开发、人体循环系统、药物毒理学、人工仿生微环境、细胞间互作以及细胞与细胞外基质互作、新型体外培养平台等方面都有所发展。为加强创新微流控分析技术与方法的交流，把最新的微流控分析技术与方法以及热门器官芯片应用推介给广大生命科学科研、临床、医药领域、工业用户，仪器信息网将于2023年11月16日在线举办“微流控技术与器官芯片研究进展与应用”网络研讨会。报名链接 https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/microfluidics231116/『会议日程』微流控技术与器官芯片研究进展与应用会议日程(2023年11月16日)微流控新方法新应用主题报告时间报告方向报告嘉宾单位09:30-10:00《开放式微流控的构建与单细胞原位方法》林金明清华大学 教授10:00-10:30《岛津微芯片电泳MultiNA原理和应用方向介绍》李婷岛津企业管理（中国）有限公司 应用工程师10:30-11:00《基于微纳界面的表面增强拉曼-微流控芯片测量技术》高荣科中国石油大学(华东) 教授11:00-11:30《微流控纸芯片技术在环境检测和生化分析中的应用研究》李博伟中国科学院烟台海岸带研究所 研究员11:30-12:00《数字微流控芯片设备的构建及其在生物化合物合成与分析应用进展》刘显明中国科学院大连化学物理研究所 副研究员12:00-14:00午休器官芯片主题会场14:00-14:30《用于药理毒理的器官芯片研究》张秀莉 苏州大学教授14:30-15:00《基于微流控芯片的肾脏疾病研究及干预》林洪丽大连医科大学附属第一医院 肾内科主任/二级教授15:00-15:30《基于微流控的器官芯片构建及应用研究》毛红菊北中国科学院上海微系统与信息技术研究所 研究员15:30-16:00《基于神经支配的人体仿生类器官和器官芯片的研究》郑付印北京航空航天大学 副教授『精彩报告预览』林金明 教授清华大学《开放式微流控的构建与单细胞原位方法》【报告摘要】：细胞是生物体结构和功能的基本单位。近年来，不同种细胞间、同种细胞不同个体间以及同个细胞不同位置间广泛存在的细胞异质性，使得单细胞分析成为了一个热门的研究领域。单细胞分析可以从结构、功能、遗传、行为等方面揭示和解释细胞异质性，为我们更细致的了解生命活动提供了新的方向。细胞分析的检测手段众多，其中质谱由于通量高、应用范围广、特异性高、能同时测定多种组分、能提供物质结构信息等特点，成为了一种强大的全方位工具。我们在成功研制了微流控芯片质谱联用细胞分析装置的基础上，进一步开展微流控单细胞分析方法的研究。在本次的报告中将重点介绍一种开放式微流控的制备方法及其应用于单细胞的分析研究结果。设计研制了一种超高效的微混合反应器，并将其用于单细胞原位取样后的样品在线衍生化，实现了目标分析物的信号转化与放大，成功实现了单细胞中原本难以直接检测的氨的测定。报名占位李婷 应用工程师岛津企业管理（中国）有限公司《岛津微芯片电泳MultiNA原理和应用方向介绍》介绍岛津微芯片电泳MultiNA仪器基本原理、仪器特点和应用方向。高荣科 教授中国石油大学(华东)《基于微纳界面的表面增强拉曼-微流控芯片测量技术》【报告摘要】： We develop a series of microfluidic sensors for the early diagnostic of hepatocellular carcinoma, prostate cancer, intracranial aneurysm, cardiac diseases etc. Combined with highly sensitive optical detection technology and medical imaging technology, the devices demonstrate great potential in screeningtest and prognosis. Cancer biomarkers are genes, proteins, and other substances that can be detected for obtaining important information about a person’s cancer. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) based immunoassay was proposed to detect the level of cancer biomarkers. Furthermore, circulating tumor cells escape from the primary tumor or metastasis and travel in the circulating peripheral blood, carrying important bioinformation about cancer progression and metastasis. Micro- and nanofabrication technology of SERS active substrates was studied to achieve a trace measurement result. Currently, a lot of approaches have been developed to selectively isolate high-purity CTCs from human peripheral blood samples. A novel strategy of SERS-microfluidics was employed for efficient separation and in-situ heterogeneous phenotype analysis of CTCs at single cell level。报名占位李博伟 研究员中国科学院烟台海岸带研究所《微流控纸芯片技术在环境检测和生化分析中的应用研究》【报告摘要】严重的环境污染问题，给社会经济的可持续发展和人民的健康带来了巨大的影响，为解决上述问题，我们基于纳米材料、分子印迹、模拟酶等功能材料，结合比色、荧光、电化学和表面增强拉曼散射光谱等检测原理，创新了一系列基于微流控纸基芯片传感器件和仪器关键部件，并用于环境与生物分析应用研究，取得了系列进展。报名占位刘显明 副研究员中国科学院大连化学物理研究所《大分子晶体学在蛋白分析中的应用》【报告摘要】：数字微流体（简称DMF）控制是一种通过在二维平面上施加电场，自动驱动微量液体（液滴）样品的技术。DMF平台在液滴精准操控方面的优势对于构建液滴微反应器极为有利，本团队与合作者在多肽及多糖等代表性生物化合物从头合成微反应方面分别取得进展。此外，报告人还将在DMF芯片POCT仪器构建及多指标炎症因子与核酸检测等方面汇报进展。报名占位张秀莉 教授苏州大学《用于药理毒理的器官芯片研究》【报告摘要】：新药评价技术，往往由于动物的种属差异大或体外二维细胞的仿生性低，造成候选新药在临床失败。器官芯片因其能够模拟人体器官的部分或关键功能，成为解决该问题的一个有力选项。报告人利用该技术，开发了系列生理和病理模型，并将其应用于药物的药效和毒性评价。近期的研究进展包括：（1）构建了基于肝芯片、肾芯片和心脏芯片的毒效学评价平台，可实现候选药物不同器官的系统毒效评价。2）开展了不同微流控器官芯片对中药化合物的器官损伤评价研究，发现了化合物在生理状态下具有损伤、在病理作用下有保护作用的特性。3）利用肝器官芯片，初步评价了肝毒性药物可通过激活免疫细胞增强肝损伤的特性。4）构建了BBB-iPSC-双神经元芯片，可以用于评价药物的神经保护药效。报名占位林洪丽 肾内科主任/二级教授大连医科大学附属第一医院《基于微流控芯片的肾脏疾病研究及干预》【报告摘要】：微流控芯片技术具有微型化、高通量、样本小、试剂少等特点，为探索疾病的发生机制、新药筛选等提供技术平台。慢性肾肾脏病发病机制复杂，早期肾脏损害即可导致肾小球组织结构和滤过功能、肾小管间质结构的破坏，给治疗带来挑战。应用微流控芯片技术体外建立有效的疾病模型对深入研究其发病机制以及早期防治具有重要意义。报名占位毛红菊 研究员中国科学院上海微系统与信息技术研究所《基于微流控的器官芯片构建及应用研究》【报告摘要】：器官芯片是指结合微流控等技术，将同种组织的不同细胞按照一定的排列分布共培养在特定的空间中，形成具有一定生理功能的结构单元。也可以理解为，在芯片上嵌入能够模拟器官的主要结构和功能特征的生理结构。器官芯片技术的发展也是从MEMS技术和生物技术的交叉发展而来的。本报告主要介绍下课题组基于微流控的器官芯片构建及应用研究方面的部分工作。报名占位郑付印 副教授/博士生导师北京航空航天大学生物与医学工程学院和北京市生物医学工程高精尖创新中心《基于神经支配的人体仿生类器官和器官芯片的研究》报名占位 【报告摘要】类器官和芯片器官在新药研发、疾病模型、个性化医疗和载人航天医学等领域具有广阔的应用前景。我们在芯片上构建了一系列模拟血管化器官微生理结构的多器官模型，如脾血窦、微血管肿瘤、血视网膜屏障等。利用诱导多能干细胞构建了三维(3D)血管化的脑类器官和融合类器官，并结合光遗传学再现了神经与靶组织(血管、肌肉和心肌)或靶器官之间强大的生理和功能耦合。针对器官有效缩放、神经支配和传感器集成问题，通过整合多层流微流控技术、生物3D打印技术、结构色材料编码传感技术，将所制备的器官芯片用于构建神经血管单元、神经肌肉连接和神经心肌连接的体外模型，并与传感器、电生理刺激和在线监测相结合，用于高通量药物筛选应用。扫码会议交流群（群内改备注姓名+单位+职位）如二维码失效，请添加13683372576，备注姓名单位职位，说明微流控群参会提示:1) 报名后，直播前一天助教会统一审核，审核通过后，会发送参会链接给报名手机号。填写不完整或填写内容敷衍将不予审核。2) 通过审核后，会议当天您将收到短信提醒。点击短信链接，输入报名手机号，即可参会。会议内容及报告赞助:仪器信息网 刘老师：13683372576，liuld@instrument.com.cn

随着数字化、网络化、智能化为核心的新时代来临，脑机接口技术已跃升为全球主要经济体竞相布局的关键领域，旨在催生经济发展的新引擎，并构筑起国际竞争的新高地。与传统制造方法相比，3D打印可以显著降低脑机接口技术的生产成本，快速推动原型制作和测试迭代，加速脑机接口技术的创新和改进，为其在人工智能、生物医疗、疾病康复、增强现实和虚拟现实等领域的应用提供了新的可能性。现状与趋势-技术引领发展 创新赋能未来脑机接口技术是指通过在人脑神经与电子或者机械设备间建立直接连接通路，来实现神经系统和外部设备间信息交互与功能整合的技术。典型的脑机接口系统一般分为四部分，即脑电信号的采集，脑电信号的分析，依据脑电信号控制实施的行为，以及外界的反馈。其中的关键核心技术包括采集脑电信号的电极、神经接口芯片、信号解码等一系列前沿科技。根据Grand View Research数据表明，2023年全球脑机接口的市场规模已达到20亿美元，并预计从2024年至2030年将以17.8%的年复合增长率快速增长。随着神经假体设备的疾病流行率的增加、全球老年人口基数的上升，庞大的患者群体基数带动需求扩张，政策上大力支持脑科学与类脑研究的发展，技术上“产学研医”紧密协同，脑机接口行业在多因素促进下有望迈入发展快车道。在传统制造技术面临挑战的背景下，3D打印不仅能够实现复杂电极的精确制造，显著降低生产成本，快速原型制作和设计迭代，为研究人员提供了一个高效的平台，使他们能够迅速地进行设计测试和优化，从而加速脑机接口技术的创新与改进。这种灵活性和快速响应能力，对于不断发展的脑机接口领域来说，无疑是推动其技术进步的关键因素。Exaddon AG，作为一家专注于微纳金属增材制造（µ AM）技术创新性解决方案提供商，其CERES 3D打印系统可实现在室温条件下直接生产和修复微纳金属物体，且整个过程无需任何后处理步骤。该技术的应用之一，便是制造用于脑机接口的微型电极，这些电极旨在植入大脑，实现外部计算能力与大脑的直接连接。这一突破性的应用为帕金森病或阿尔茨海默症等严重神经退行性疾病患者的生活质量改善提供了可能性，通过精准的神经信号读取和调控，助力于恢复或增强他们的认知与运动功能。Exaddon AG的CERES系统凭借其基于电化学沉积的金属增材制造技术（μAM），不仅确保了金属电极的高导电性和优异的生物相容性，为植入设备提供了关键保障，而且赋予了电极微观结构设计超高灵活性，使得研究人员能够根据需求定制电极，以优化提高与生物组织的互动及信号采集效率。高纵横比：直接在预图案化轨迹或接触垫上以微米级精度打印高宽比（100:1）的结构。铜或金微柱：在室温下通过局部电沉积打印高导电性纯金属针和柱，打印后可对柱进行涂覆。挑战与未来-原创技术赋能 突破研发壁垒当然，脑机接口技术并非简单的即插即用，涉及到可植入技术，通常称为皮层电图（ECoG），直接贴合大脑表面，提供比外部电极更为精确的信息。然而，其安装过程相对复杂，需要能够从大脑传导电信号的生物相容微型电极，这些电极必须足够精密微小，以便能够长期稳定地植入体内。其中“μECoG”技术（微型电极），是近期的一项重大创新，正以迅猛的速度逐步成为领域内的关注焦点。现有可植入技术的关键局限性之一是“传统硬质电子材料与人体动态、柔软且弯曲的特性之间的机械不匹配”。这种不匹配引发了使用者在长期使用设备时对舒适度和耐久性的担忧。同时，为了实现高保真信号传导，所用材料必须具备优异的导电性，这在非金属材料中尤其具有挑战性。目前的技术方案主要依赖于金或铂电极，而基底材料的选择涵盖了铱、铂、聚酰亚胺、金等。为了解决这一问题，研究人员研发了一种具有微柱阵列的柔性基底。Malliaras等研究者利用Exaddon独特的μAM技术开发了一种PEDOT:PSS微针阵列，其电极覆盖区域为10 × 10 µ m² ，电极间的中心距离为60 µ m。这些创新的研究成果不仅为神经科学和生物医学工程领域提供了新的思路，而且有望在未来为脑机接口技术的进一步发展奠定坚实的基础。精细间距阵列：间距可以根据需要定制。图像：40 x 40阵列，由直径1.6 μm的铜柱组成，以25 μm的间距打印，总共1600根微柱。瑞士Exaddon AG已与摩方精密建立长期战略合作伙伴关系。根据协议，摩方精密作为Exaddon AG中国市场的官方服务提供商及主要推广合作伙伴，专注于推广微纳金属3D打印技术，提供设备支持并拓展市场。双方共同致力于将微纳3D打印技术广泛应用于人工智能、脑机接口、生物医药、半导体封装与测试等多个领域，共同推动技术革新与产业进步。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）成功研发国内首台高清晰磁共振兼容人脑PET功能成像仪器（命名为“SIAT bPET”），实现了我国在高端磁兼容脑PET成像仪器研发方面零的突破。“通常，PET成像仪器由于探测器的深度不确定效应，空间分辨率会随着偏离成像视野中心而变差，严重影响成像精度。”深圳先进院医工所劳特伯生物医学成像研究中心研究员杨永峰表示，他们团队研发了高三维分辨率双端读出探测器，使得该大口径成像系统达到14%的中心效率（350-750 keV能量窗），和整个成像视野好于1.4 mm的空间分辨率，两项性能指标都处于国际领先水平。 杨永峰介绍道，与国外商业磁兼容脑PET成像仪器相比，SIAT bPET的效率提高了近2倍（从7.2%到14%），平均体分辨率提高了30倍以上（从约64mm3到2mm3）。同时，SIAT bPET采用了创新的电子学和磁兼容设计，使得磁共振成像对PET成像的影响几乎可以忽略不计，PET成像对磁共振成像图像信噪比的影响小于5%，满足同时开展PET/MRI成像的尖端科研需求。 据了解，PET和MRI都是脑科学研究和脑疾病诊断的重要工具，PET的高灵敏度、高定量精度功能代谢成像和MRI的高空间分辨率、高软组织对比度解剖结构成像高度互补，PET和MRI还可以相互辅助，进一步提升各自的脑神经成像能力。PET分子成像通过测量大脑的血流、葡萄糖和氧的代谢、蛋白质的生成、药物的分布和神经递质的动力学等，探索不同脑区的功能，确定病变脑区的功能演变，对于脑疾病干预治疗策略和新药物探索具有重要意义。 “不过，目前市场上并没有高性能脑PET成像仪器。”杨永峰说，与美国脑计划项目正在资助研发的多个高性能脑PET成像仪器相比，SIAT bPET的空间分辨率和效率也处于先进水平。“高空间分辨率使得研究大脑的细微焦点脑功能区和小的核团成为可能，还可以通过降低部分容积效应来提高脑PET成像研究的定量精度；高效率除了通过提高脑PET图像的信噪来提高研究的定量精度，也为高精度研究神经递质活动和其他动态脑生化与功能活动奠定基础。” 2022年，团队成员邝忠华在国际核医学和分子影像年会与IEEE医学成像会议上口头报告了该研究成果，随即引起了广泛的国际关注。同时，该仪器也为开展基于PET功能成像的脑科学研究、老年性痴呆等疾病的早期定量诊断研究和新药开发提供了一台重要的新工具。 据悉，相关研究由基金委国家重大科研仪器研制、深圳市孔雀团队和中国科学院仪器研制团队等项目资助。深圳先进院研制的SIAT bPET探测器系统和脑成像仪器照片SIAT bPET获得的Derenzo模体图、人脑FDG代谢图和兔子NaF骨扫描图SIAT bPET和联影uMR790 3T磁共振成像系统上同时获得的人脑PET/MRI图像

2023年2月23日，北京大学程和平-王爱民团队在 Nature Methods 在线发表题为 Miniature three-photon microscopy maximized for scattered fluorescence collection 的文章。 文中报道了重量仅为2.17克的微型化三光子显微镜（图1），首次实现对自由行为小鼠的大脑全皮层和海马神经元功能成像，为揭示大脑深部结构中的神经机制开启了新的研究范式。 图1 小鼠佩戴微型化三光子显微镜实景图 解析脑连接图谱和功能动态图谱是我国和世界多国脑计划的一个重点研究方向，为此需要打造自由运动动物佩戴式显微成像类研究工具。2017年，北京大学程和平院士团队成功研制第一代 2.2 克微型化双光子显微镜，获取了小鼠在自由行为过程中大脑皮层神经元和神经突触活动的动态图像。2021年，该团队的第二代微型化双光子显微镜将成像视野扩大了 7.8 倍，同时具备获取大脑皮层上千个神经元功能信号的三维成像能力。 微型化三光子显微镜突破成像深度极限 海马体位于皮层和胼胝体下面，在短期记忆到长期记忆的巩固、空间记忆和情绪编码等方面起重要作用。在啮齿类动物研究模型中，海马距离脑表面深度大于一个毫米。由于大脑组织，特别是胼胝体，具有对光的高散射光学特性，所以突破成像深度极限是长期以来困扰神经科学家的一个极大的挑战。此前的微型化单光子及微型化多光子显微镜均无法实现穿透全皮层直接对海马区进行无损成像。此次，北京大学最新研发的微型化三光子显微镜一举突破了此前微型化多光子显微镜的成像深度极限：1、显微镜激发光路可以穿透整个小鼠大脑皮层和胼胝体，实现对小鼠海马CA1亚区的直接观测记录（图2）。神经元钙信号最大成像深度可达1.2 mm，血管成像深度可达1.4 mm。2、在光毒性方面，全皮层钙信号成像仅需要几个毫瓦，海马钙信号成像仅需要20至50毫瓦，大大低于组织损伤的安全阈值。因此，该款微型化三光子显微镜可以长时间、不间断连续观测神经元功能活动，且不产生明显的光漂白与光损伤。图2 微型三光子显微成像记录小鼠大脑皮层L1-L6和海马CA1的结构和功能动态。CC：胼胝体。绿色代表GCaMP6s标记的神经元荧光钙信号，洋红色代表硬脑膜、微血管和脑白质界面的三次谐波信号。 全新的光学构型设计 北京大学微型化三光子显微镜成像深度的突破得益于全新的光学构型设计。（图3）图3 微型化三光子显微镜光学构型 通过对皮层、白质和海马体建立分层散射模型进行仿真，发现荧光信号从深层组织到达脑表面时已经处于随机散射的状态，使得显微物镜荧光收集效率降低，从而极大限制了成像深度。针对这一问题，经典阿贝聚光镜结构被引入构型设计中：微型阿贝聚光镜与简化的无限远物镜密接可以提高散射光的通透效率；阿贝聚光镜与激发光路中的微型管镜部分复用，可以进一步简化结构，降低损耗。总体上，新微型化显微镜的散射荧光收集效率实现了成倍的提升。 生物应用 同时，利用微型化三光子显微镜，作者研究了小鼠顶叶皮层第六层神经元在抓取糖豆这一感觉运动过程中的编码机制：发现大约37%的神经元在抓取动作之前就开始活跃且在抓取时最活跃，大约5.6%的神经元在抓取动作之后开始活跃，说明不同神经元参与了不同阶段的编码。（图4）这一结果初步展示了微型化三光子显微镜在脑科学研究中的应用潜力。 图4 小鼠顶叶皮层第六层神经元在抓取糖豆任务中的不同反应类型北京大学未来技术学院博士后赵春竹、北京大学前沿交叉学科研究院博士研究生陈诗源、北京大学分子医学南京转化研究院研究员张立风为该论文的共同第一作者，北京大学程和平、王爱民、赵春竹为论文的共同通讯作者，北京超维景生物科技有限公司胡炎辉、李谊军、陈燕川、付强、高玉倩、江文茂、张颖也参与了此项工作的开发。该项目得到科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、中国医学科学院医学与健康科技创新工程—脑疾病的线粒体机制研究创新单元、国家自然科学基金委、国家重大科研仪器研制专项、科技部重点研发计划等经费支持。超维景一直致力于前沿生物医学成像技术的产业转化，为推动生命科学的研究与发展提供优质的、系统化的解决方案。 经过多年的沉淀 我们即将推出自主研发的最新一代微型化三光子显微成像系统敬 请 期 待 ！Nature Methods 原文链接：https://doi.org/10.1038/s41592-023-01777-3

近日，新华社“走进中国新科技”系列专题对北京航空航天大学生物与医学工程学院樊瑜波、李德玉、汪待发联合团队所研发的近红外脑功能成像技术进行了深入报道今天，带大家走近联合团队中的汪待发副教授踏足“脑功能疾病诊疗”科技前沿汪 待 发北京航空航天大学生物与医学工程学院副教授、博士生导师从事近红外脑功能成像、脑机接口、脑功能评价、神经调控等方面研究已有20余载，作为课题组长承担国家重大科学仪器研制项目1项、国家重点研发计划1项；主持国家自然科学基金面上、青年等基金课题。发表SCI论文40余篇，申请发明专利数十项。致力于近红外脑功能成像领域的研究、研发、产业化与临床应用，研发装备已在包括301医院、宣武医院、上海华山医院、清华大学等400余家单位示范应用；支撑在Human Behaviour、Journal of Cleaner Production、NeuroImage等杂志发表SCI论文120余篇。攻克世界难题研发“戴在头上的功能核磁”大脑是人类最复杂神秘的器官，思想的萌生之地，生命的承载中枢。了解大脑的功能和运行机制，可以揭示人类学习、智慧、发育的诸多奥秘，也是治疗中风、阿尔茨海默症、抑郁症、精神分裂症等重大脑疾病的基础。人类对大脑运行机制的不断探索和深刻理解，更为新一代类脑人工智能技术的飞速发展，提供了关键的生物学理论基础。自然状态下大脑活动的高分辨成像是世界难题。目前，主流的脑功能成像方法包括功能核磁共振（fMRI）、核素成像（PET）、脑电（EEG）、近红外脑功能成像（fNIRS）等。然而，大型脑功能成像系统包括fMRI、PET体积庞大，并且患者不能有头动，不适合于自然情景；EEG相对轻便，然而其空间分辨率低，并且对于头动、电磁的干扰均非常敏感。近红外脑功能成像，为自然状态下的高分辨脑成像带来了新型技术平台，亦被称为“戴在头上的功能核磁”。它和fMRI一样，探测的是大脑氧代谢的载体（血红蛋白）的浓度变化。由于采用的光学手段，它空间分辨率高（1-3cm）、适合于各种自然状态，可以一边运动一边检测、一边说话一边检测、一边治疗一边检测，为中国上亿的脑功能障碍疾病患者的诊断、疗效评价、疗效预测、用药/干预/康复方案的指导等提供了创新性手段，这包括脑卒中神经康复、精神疾病、儿童发育障碍（孤独症谱系障碍等）及神经退行性疾病（阿尔茨海默病等）等。近红外脑功能成像原理然而，高端脑影像设备的关键技术长期被发达国家垄断。例如近红外脑功能成像设备，长期被美日等垄断，单价在数百万，但却不能解决亚洲人有黑色头发覆盖区域（顶叶、枕叶等）成像的难题，限制了脑功能检查和研究的开展。汪待发副教授，是近红外脑功能成像技术第三代的践行者。2010年博士毕业后，他来到北京航空航天大学生物与医学工程学院任教。当时，北航生医学院刚刚建院不久，立意高远，把学院科研发展聚焦在解决国家重大需求牵引的医工科学和技术上。汪待发扎根北航，攻坚近红外脑功能成像领域的难题。通过自己多年如一日的努力，以及与包括樊瑜波、李德玉等北航的血流动力学分析、高精密传感专家的不断研讨和思想碰撞，经历数百次的试验、挫折和迭代验证，他终于突破了近红外超微光探测技术，攻克了亚洲人有黑色头发的脑区（顶叶、枕叶等）的快速精准成像的世界难题。汪待发团队fNIRS产品覆盖的行业应用2016年初，依托北航校地合作平台孵化，汪待发创立了慧创医疗，立志要克服成果转化这个陌生领域的重重困难，坚定地把科研成果落实在祖国的大地上。依托科技风险投资的资金支持，汪待发领导的慧创团队与北航联合团队开展合作，充分发挥产学研合作优势，2019年研发推出了世界上首个获得医疗器械注册证的、超100通道的近红外脑功能成像装置，突破性地实现了全脑成像，实现了中国近红外脑功能成像领域自主知识产权的开创性进展。世界上首个获得医疗器械注册证的、超100通道的近红外脑功能成像装置在此基础上，将超微光技术进一步数字化，汪待发带领团队研发了世界首台获医疗器械证的便携式近红外脑功能成像设备。其平板电脑大小的身形，却具备领先于进口台式设备的成像性能，让临床和科研专家惊叹，赢得了广泛的认可。世界首台获医疗器械证的便携式近红外脑功能成像设备目前，汪待发团队所转化的近红外脑功能成像系列产品及技术，已在301、北京协和、上海华山、四川华西、清华大学、北京师范大学、香港理工大学等800余家一流临床及科研单位示范应用，开展临床检查和科学研究，并已支撑专家在以Nature Human Behaviour为代表的顶级期刊上，发表了SCI论文180余篇，在国内外形成了广泛影响。在北航原始创新的加持下，慧创医疗作为唯一一家企业起草单位，与国家药监局合作，制定了中国首个近红外脑功能成像强制性国家标准。同时，近红外脑功能成像产品NirScan，因其“高精尖”装备+原创+领先的综合属性，获评江苏省首台（套）重大装备。近红外脑成像设备支持用户发表的高水平SCI论文致力于科技成果转化解决临床应用痛点为推动近红外脑功能成像更好地解决临床痛点需求，作为医工专家，汪待发积极把自己变成“最懂临床需求的科学家”。目前，他担任了中国康复医学会脑功能检测与调控康复专业委员会常务委员、第二届中国妇幼健康研究会婴幼儿心理健康专业委员会常务委员、中国康复医学会阿尔茨海默病与认知障碍康复专业委员会青年组副组长，并担任了浙江大学医学院附属精神卫生中心（杭州市第七人民医院）特聘专家、国家药品监督管理局医疗器械技术审评中心外聘专家。作为fNIRS领域TOP科学家，他每年在全国各地完成约30余场高质量的学术讲座，与临床专家深入交流，积极推动近红外脑功能成像在临床各个领域的广泛应用。同时，在樊瑜波教授的鼓励下，依托国家医学攻关产教融合平台(医工结合)，汪待发所带领的团队，仅2023年就开展了多元化多层次的脑科学领域相关培训近20次，合计邀请了近70位脑科学及相关领域专家，合计线下培训人员超600人，线上培训超8000人。2021年，汪待发与国内顶级医院的临床专家一起，撰写了中国首个近红外脑功能成像专家共识，为该技术在临床的快速应用和发展做出了积极推动。2022年底，北航樊瑜波、李德玉、汪待发联合团队的“近红外脑功能成像系统开发及临床应用”成果获得了中国生物医学工程学会最高奖项——“黄家驷”生物医学工程奖。这一奖项的获得，体现了中国生物医学工程行业对北航近红外脑功能成像技术和系统成果的充分肯定。近红外脑功能成像系统荣获“黄家驷”生物医学工程奖证书近年来，在近红外脑功能成像技术的基础上，在国家重点研发计划的牵引下，汪待发团队瞄准了另一个脑科学世界级难题“阿尔茨海默症（老年痴呆症）治疗”。团队目前在阿尔兹海默症治疗方面已取得突破性进展，其研发的“近红外光脑功能治疗仪”目前已获批国家药品监督管理局（NMPA）医疗器械绿色通道（创新医疗器械设置特别审批通道）。这是国家药监局为具备重大创新的医疗器械开辟的一条审查极为严格的注册证快速申请通道。从2014年国家药监局正式颁布《创新医疗器械特别审批程序（试行）》的近十年来，仅批准了300余项。目前，在国家科技成果转化引导基金的支持下，团队正在和临床专家们合作，开展阿尔茨海默症治疗产品的临床试验。托举学子梦想培育医工行业未来作为年轻科学家，在承接前辈科学家的教诲和精神的同时，汪待发也已成长为带领年轻学子的领头人。汪待发一直将人才培养与国家需求紧密结合，以人民群众的生命健康为牵引，鼓励学生们“能人所不能，坚持解决临床核心痛点，做世界领先的高水平研究”，从临床实际中挖掘科学问题，并将研究成果应用到临床实际中去，扎扎实实地把科研写在祖国的大地上。汪代发与课题组硕博士生合影“要在学生最有梦想的时候好好引导他们，他们是祖国与行业的明天，要让他们放飞思想，追逐科技创新的梦想。”汪待发在科研之余还担任北航冯如书院本科生导师。作为导师，他悉心指导硕士、博士研究生近20人，攻坚脑功能疾病诊疗的难题。他将科研及转化的经验融入课堂教学，近三年担任《生理信号检测与处理实验》的负责人，不断完善课程建设，引导学生主动思考、发现问题、解决问题；作为《医学成像系统》和《生物医学成像技术》的主讲老师，带领学生认识行业内的新技术新成果，培养具有前沿视野的行业接班人。将科研与国家的重大需求做贴合攻坚中国脑功能疾病难题做世界领先的高端脑功能疾病诊疗装备和汪待发副教授一样在北航奋斗的广大教师们一直在脚踏实地、仰望星空潜心科研、矢志创新在建设科技强国人才强国的新征途中上下求索，砥砺前行！

外行看热闹 　　前两年听说低温冷冻电镜在测量蛋白质结构方面有大的突破，分辨率已经可以和最好的X射线晶体结构测定不相上下，而且不用再辛辛苦苦培养蛋白晶体，很可能近期会有人得诺贝尔奖之类。 　　维基百科上关于Cryo-EM的介绍链接：http://en.wikipedia.org/wiki/Cryo-electron_microscopy 　　因为研究领域不同，我对低温冷冻电镜(Cryo Electron Microscopy, Cryo-EM)完全是外行。常言道，外行看热闹，内行看门道。作为不合格的外行，我一直连热闹都没来得及去看。 　　几个月前偶然在实验室听美国Baylor医学院(Baylor College of Medicine)华裔教授Wah Chiu有关Cryo-EM病毒结构测量的报告，我才想起来去年夏天回北京中关村中科院物理所开超快光谱会的时候，有天晚上去清华大学和几个做生物学研究的几个海龟朋友聊天吃饭之后，去参观了一下清华最先进的Cryo-EM实验室，正好碰见大名鼎鼎的施一公教授在亲自学习如何操作Cryo-EM获取蛋白结构的整个流程。 　　Baylor医学院Wah Chiu教授网页链接：https://www.bcm.edu/people/view/b279d3f6-ffed-11e2-be68-080027880ca6 　　施一公当时对我说：鸿飞，抱歉今天没由来和你们一起吃饭。我平时东跑西跑，今天下午正好有整个大半天的时间，所以就来实验室学习Cryo-EM的具体操作和图像处理。现在Cryo-EM在蛋白结构测量上面越来越重要，我早就说要自己亲自把整个集体实验过程走一遍，不然的话我无法了解和帮助学生在做Cryo-EM实验和数据处理中间的具体问题。颜宁说你后天就回去，下次有时间我们或许可以多聊聊，记住向丹红问好。 　　我跟施一公并不太熟，如果大家闹哄哄地在一起吃饭，估计也没有什么好交谈的。我对他说：不用客气。做研究最重要，你先忙。 　　Wah Chiu教授报告主要是概述性的东西，看起来好像很厉害的样子。他的报告中没有太多研究细节，于是我就边听边用手机发信问颜宁是否知道Wah Chiu这个人，知不知道他的中文名，以及他的研究究竟怎么样。之后我又用手机在网上查了一下他的简历，发现他于2012年当选了美国科学院的院士，应该也不是等闲之辈。 　　听完报告之后看到颜宁回信说：老先生的名字叫做赵华，最近在清华做过报告，他的研究水平还不错。不过最近大家猜低温电镜领域近来的革命性突破应该能够得诺贝尔奖，但能够获奖的人应该是Joachim Frank和Richard Genderson，以及可能还有一个叫Glaeser的老先生。 　　我看了一下她回信的时间，大概是北京时间凌晨两点。无语。 　　内行看门道 　　我虽然对于Cryo-EM是外行，但是对于科学领域的发展过程大概是怎么回事应该还算有较多的了解。 　　听完报告后，我根据颜宁提供的信息去查看Richard Henderson，Joachim Frank以及Glaeser等人究竟是何方神圣。发现Richard Henderson是剑桥大学MRC分子生物学实验室的主任 Jochim Frank1972年在Robert M. Glaeser的UC Berkeley 研究组做博士后 而Wah Chiu于1975年从Robert M. Glaeser组获得博士学位。这帮家伙早在四十多年前的1970年代初就开始折腾低温电镜的大分子和蛋白质成像了。 　　化学家谱(Chemistry Tree)中Richard henderson信息链接：http://academictree.org/chemistry/tree.php?pid=71705 　　化学家谱(Chemistry Tree)中Jochim Frank信息链接：http://academictree.org/chemistry/tree.php?pid=82484 　　化学家谱(Chemistry Tree)中Robert M. Glaeser信息链接：http://academictree.org/chemistry/tree.php?pid=81601 　　Richard Henderson是苏格兰人，爱丁堡大学获得物理学位后，于1969年在剑桥大学分子生物学实验室获得博士学位，在美国耶鲁大学做过博士后研究之后，于1973年回到剑桥大学至今。 　　Joachim Frank原来是德国人，1970年在慕尼黑技术大学获得博士学位之后，在美国游学两年多，然后在剑桥大学卡文迪许实验室做研究助理，1975年任职于美国纽约州Albany的公共卫生实验室(Wadsworth Center)，2008年加入哥伦比亚大学生命科学系。 　　Robert M. Glaeser于1964年获得UC Berkeley的生物物理学博士学位，并在牛津大学和芝加哥大学从事量子化学的博士后研究，之后回到UC Berkeley做教授和退休教授至今。 　　Cryo-EM领域在过去四十多年里面的发展和逐渐成熟当然并不只包括Richard Henderson， Joachim Frank和Robert M.Glaeser三个小组的贡献。近期在探测器和图像处理方面更是取得了突破，使得分辨率达到X射线晶体学的水平。没有阅读更多资料之前，我也无法知道是否他们三人就一定是对该领域的贡献最大。不管如何，这是一个发展了四十多年才逐渐成熟的学科，并不是一朝一夕就取得的成功，因此了解其基本的发展过程和源流应该能够给我们了解和思考学科发展的规律有所启发和帮助。 　　在搜索相关信息的过程中，我在2007年12月的美国国家科学院院刊(PNAS)找到一篇Joachim Frank当年当选美国科学院院士之后的采访介绍(Profile of Joechim Frank). 这篇介绍中讲述了Frank的科学生涯和致力于低温电镜技术发展以及推动其在生命科学中应用的过程。看过之后觉得很有意思，值得在这里复述一下。 　　美国国家科学院院刊PNAS上关于Jochim Frank的介绍Profile of Joachim Frank链接：http://www.pnas.org/content/104/50/19668.full 　　Joachim Frank的科学旅程 　　Profile of Joachim Frank文章的开头写道： 　　If you were to look at Joachim Frank' s recent papers, you might think he had spent his entire career studying how the ribosome converts mRNA into protein. On that subject alone he has enough publications in Nature and Science to span several careers. But in fact, Frank was introduced to the ribosome only after he had become one of the world' s foremost experts in digital image analysis and electron microscopy. For his contributions to these fields, and to our understanding of the ribosome-one of the molecular machines that makes life as we know it possible-Frank was inducted into the National Academy of Sciences in 2007. (试译：如果看看Joachim Frank最近的论文，你可能会以为他的整个职业生涯都在研究ribosome如何将mRNA核糖体转换成蛋白质。尽在这个领域他已经在Science和Nature杂志上发表了足够好几辈子的论文。但事实上，Frank只是在成为世界上最重要的数字图像分析和电子显微镜专家之后才进入ribosome领域的研究。因为在这些领域的贡献，以及对ribosome这个使得我们所知的生命成为可能的分子机器的理解，Frank在2007年进入美国国家科学院。) 　　注： Frank当选美国国家科学院院士是2006年院士年会，正式加入美国国家科学院入院仪式是在2007年的院士年会。 　　文章接着介绍，Frank先在德国Freiburg大学(University of Freiburg)学习物理学，之后进入Munich大学(University of Munich)攻读硕士学位，研究内容为熔点下的金的电子衍射。通过这些研究，他产生了用电子衍射研究分子结构的想法，于是进入慕尼黑的蛋白和皮革马普研究所(Max Planck Institute for Eggwhite and Leather)跟X射线晶体学家Walter Hoppe攻读博士学位。有意思的是这个蛋白研究所是真正的蛋白或蛋清(eggwhite)，而不是所谓的蛋白质(protein)。这个研究所后来并入了生物化学马普所(Max Planck Institute for Biochemistry)。在博士论文期间他接触了电子显微镜，发表了关于如何校正和准直图像的概念和方法，论文发表在德育的光学(Optik)杂志上。 　　1970年Frank获得博士学位后获得了Harkness奖学金。凭该项资助他到任何一个美国实验室从事两年的访问研究。他到美国的第一站，是美国航空航天局(NASA)在加州理工大学的喷气动力实验室(Jet Propulsion Laboratory-JPL)。尽管JPL不是做电子显微成像的地方，但他选择JPL的目的，是去学习那里最先进的图像处理技术(image processing)。JPL之后他去了UC Berkeley的Robert Glaeser实验室，Glaeser是研究Cryo-EM的先驱。在Berkeley六个月之后他又去了纽约Albany的康奈尔大学显微成像实验室，然后他就会德国去找全职工作。因为没能在德国找到全职工作，他只好再到英国剑桥大学卡文迪许实验室去做研究助理，期限两年。 　　在剑桥大学期间，Frank从事的是电子光学(electron optics)的研究。通过他在Berkeley进行的生物样品的测量，他相信大的蛋白质的图像只能通过图像平均的方法获得。于是他开始计算能够获得足够精确度的用于图像校准和获得有用信息的最低电子剂量。通过这些工作，他推导出了关于图像对比度、分辨率和电子剂量的基本方程式。他说：&ldquo (通过计算)我们相信对于一定大小的分子，这将能行。那确实是所有事情的根子上的最基本的方程。&rdquo 1975年他还在剑桥大学的时候，他收到了纽约州Albany的公共卫生实验室(Wadsworth Center)的邀请去担任研究科学家(reserach scientist)。他说他或的这一工作的原因是因为他在Berkeley的时候写的一篇综述文章使得人们较早时候就将他的名字和电子显微技术和图像处理联系在了一起。 　　在此之后，Frank在Albany工作了30年，在那里他发展了Cryo-EM的单粒子图像重构方法(single-particle reconstruction approach)并且将其应用到ribosome的研究中。1986年纽约州立大学Albany分校成立公共卫生学院(School of Public Health)，Frank成为该学院的教授。他于2006年当选为美国国家科学院生命科学领域的院士，并于2008年成为哥伦比亚大学生命科学系教授。 　　Joachim Frank科学生涯之有趣之处 　　Frank的科学生涯中让我比较感兴趣的事儿有两件。 　　第一是他在博士毕业之后能够获得资助而比较自由地在美国最好的几个实验室游学两年。在此期间他首先选择到JPL去学习图像处理技术，这是非常有远见的选择。灵活的跨学科的学术支持对于年轻人的训练和成长很有帮助。美国和欧洲发达国家之间的这种政府或者基金会资助的比较灵活和自由的各种层次上的学术交流和往来，从19世纪末和20世纪初以来就一直未有间断。中国1949年之后这样的交流几乎完全中断了将近三十年，在改革开放以来有所恢复，但是在灵活性和自由选择方面应该说还很有待促进和加强。 　　第二是他在英国做研究助理时获得纽约州Albany的公共卫生实验室(Wadsworth Center)的邀请去担任研究科学家，并且一直在那里从事基础性的前沿研究工作三十多年。我对Wadsworth Center不太了解，但从其性质和定位来讲是一个面向公共卫生应用相关的公共研究机构。不知道国内的地方性的公共实验室什么时候能够有这种机会，能够允许自己的研究科学家在从事应用相关的研究的时候，还能从事基础性的前沿研究。 　　WadsworthCenter网站链接：http://www.wadsworth.org/docs/mission.shtml 　　人们常常说国内的科研体制缺乏研究自由。其实以我多年的研究经验来看，国内的基础性的研究机构和大学常常是在研究定位上过于自由，缺乏清楚明确的研究目标和定位，同时应用性的研究机构又非常缺乏人事、资助方式和研究方向上的灵活性，而且不同的研究机构之间比较缺少互动。这样导致的结果常常是基础研究中培养的人才不仅质量不够高，而且还比较缺乏研究目标和解决实际科学问题的兴趣 而应用研究中培养的人才比较缺乏学术和研究水准，对于实际应用研究中能够提炼出来的基础和重要的科学问题缺乏认识和感觉。要改变这种状况，需要必要的研究体系，使研究机构和主管单位自身在目标定位、资助方式、学术与人才交流等方面在具有较为明确的定位的同时还具有足够的开放性与充分的灵活性。这些问题说来话长，解决起来也并非那么容易。但如果不能改善，每年政府和社会投入的教育和研究经费，其效果自然会被大打折扣。 　　这些问题在Frank的经历中可以说是不存在的。 　　不用晶体的晶体学(Crystallography without crystals) 　　据专家说，蛋白质和大分子晶体学的前沿是不用晶体的晶体学。 　　按照Weill Cornell Medical College的神经科学教授Greg Petsko于2014年在美国化学会化学与工程新闻(C&EN News)纪念X射线晶体学发展100周年的题为《不用晶体的晶体学》(Crystallography without crystals)文章中的介绍，Cryo-EM是蛋白质晶体学研究中的一大颠覆性技术，这一颠覆性技术已经带来了非常重要的突破。而蛋白质晶体学领域的另一个正在发展的颠覆性技术则是建立在自由电子激光(free-electron laser)技术上的超快X射线晶体学。这两种技术之所以具有颠覆性，正是因为他们是不用晶体的晶体学。 　　美国化学会C&EN上Crystallography without crystals文章链接：http://cen.xraycrystals.org/essay-on-the-future-of-crystallography.html 　　正是由于了解Cryo-EM技术的逐渐成熟使其已经成为蛋白质晶体学研究中的颠覆性技术，施一公才在几年前就开始带领他在清华的结构生物学研究组迅速地进入这一领域，现在已经取得了不错的成绩。能够迅速利用新的研究工具进入新的研究领域，这对于提高国内科学研究水平本身很重要。从长远来看，国内科学研究水平的提高，应该还需要有能够产生更为原创性的研究工作，比如说，类似于Cryo-EM这样的颠覆性技术工作，的环境与机制。 　　技术和方法的领先 　　近代科学前沿的发展，多数情况下是研究方法和研究技术的发展。新的方法和研究技术，不仅包括新的概念，而更为重要的是新的研究技术和工具。在此基础上，新的应用和研究新问题才成为可能。 　　1986年诺贝尔化学奖获得者杜德利· 赫希巴赫(Dudley Herschbach)在回顾他自己的科学生涯的文章中(Annu. Rev. Phys. Chem., 51，1-39，2000.)有这样一段话： 　　In his book Imagined Worlds, Freeman Dyson asserts that newdirections in science are launched by new tools much more often than by new concepts. He says, &ldquo The effect of a concept-driven revolution is to explain old things in new ways. The effect of a tool-driven revolution is to discover new things that have to be explained.&rdquo I would add that new tools or methods often emerge from a symbiotic interaction of old tools and concepts in fresh combinations.That is a good reason for young scientists to learn something about the historical development of their field. (试译：(理论物理学家)Freeman Dyson在他的Imagined Worlds一书中宣称，科学中新的方向更多地是由新的科学研究工具而不是由新的概念所带来的。他说&ldquo 由概念所推动的革命是用新的方式解释已有的事物，而由工具所推动的革命则是去发现必须得到解释的新的事物&rdquo 。我需要补充的是新的工具或者方法是通过旧的工具和方法以崭新的方式共生相互作用而产生的。这正是年轻科学家去了解自己领域的历史发展的好的理由。 　　Dyson在Imagined Worlds一书中是这样说的(Freeman Dyson,Imagined Worlds, Harvard UniversityPress,1997. pp.49-50.)： 　　There are two kinds of scientific revolutions, those driven by new tools and those driven by new concepts. Thomas Kuhn in his famous book, The Structure of Scientific Revolutions, talked almost exclusively about concepts and hardly at all about tools. His idea of a scientific revolution is based on a single example, the revolution in theoretical physics that occurred in the 1920s with the advent of quantum mechanics. This was a prime example of a concept-driven revolution. Kuhn' s book was so brilliantly written that it became an instant classic. It misled a whole generation of students and historians of science into believing that all scientific revolutions are concept driven. The concept driven revolutions are the ones that attract the most attention and have the greatest impact on the public awareness of science, but in fact they are comparatively rare. In the last 500 years, in addition to the quantum mechanical revolution that Kuhn took as his model, we have had six major concept driven revolutions, associated with the names of Copernicus, Newton, Darwin, Maxwell, Freud, and Einstein. During the same period there have been about twenty tool-driven revolutions, not so impressive to the general public but of equal importance to the progress of science. Two prime examples of tool-driven revolutions are the Galilean revolution resulting from the use of the telescope in astronomy, and the Crick-Watson revolution resulting from the use of X ray diffraction to determine the structure of big molecules in biology.研究，大概已经快到2020年了。 　　最近从新闻上听说原来的东家中国科学院在推行所谓&ldquo 率先行动&rdquo 。&ldquo 率先行动&rdquo 究竟怎么个&ldquo 率先&rdquo 法，我不在其中，自然不知其味。不管怎么说，要真能率先，俺肯定是支持的。 　　不然的话，跟在兔子屁股后面的乌龟，除了拖住兔子的后腿，或者期待兔子在途中打瞌睡，还能有些啥想法呢? 　　注：几个月前就在考虑就这个问题写点什么，现在才拉拉杂杂地写了这些。感谢大学同学林文斌教授在一次微信聊天的时候提到上面Greg Petsko在C&EN News上的评论。 作者：王鸿飞

2023年2月23日，北京大学程和平/王爱民团队在Nature Methods在线发表题为“Miniature three-photon microscopy maximized for scattered fluorescence collection”的文章。文中报道了重量仅为2.17克的微型化三光子显微镜（图1），首次实现对自由行为小鼠的大脑全皮层和海马神经元功能成像，为揭示大脑深部结构中的神经机制开启了新的研究范式。图1 小鼠佩戴微型化三光子显微镜实景图解析脑连接图谱和功能动态图谱是我国和世界多国脑计划的一个重点研究方向，为此需要打造自由运动动物佩戴式显微成像类研究工具。2017年，北京大学程和平院士团队成功研制第一代2.2克微型化双光子显微镜，获取了小鼠在自由行为过程中大脑皮层神经元和神经突触活动的动态图像。2021年，该团队的第二代微型化双光子显微镜将成像视野扩大了7.8倍，同时具备获取大脑皮层上千个神经元功能信号的三维成像能力。此次，北京大学最新的微型化三光子显微镜一举突破了此前微型化多光子显微镜的成像深度极限：显微镜激发光路可以穿透整个小鼠大脑皮层和胼胝体，实现对小鼠海马CA1亚区的直接观测记录（图2，Video 1-2），神经元钙信号最大成像深度可达1.2 mm，血管成像深度可达1.4 mm。另外，在光毒性方面，全皮层钙信号成像仅需要几个毫瓦，海马钙信号成像仅需要20至50毫瓦，大大低于组织损伤的安全阈值。因此，该款微型三光子显微镜可以长时间不间断连续观测神经元功能活动，而不产生明显的光漂白与光损伤。图2 微型三光子显微成像记录小鼠大脑皮层L1-L6和海马CA1的结构和功能动态。CC：胼胝体。绿色代表GCaMP6s标记的神经元荧光钙信号，洋红色代表硬脑膜、微血管和脑白质界面的三次谐波信号。Video1 这是使用北大微型化三光子显微镜拍摄的小鼠大脑从大脑皮层到胼胝体再到海马CA1亚区的三维重建图。绿色代表GCaMP6s标记的神经元荧光信号，洋红色代表硬脑膜、微血管和脑白质界面的三次谐波信号。左上角显示成像深度，可以看到，激光进入大脑，以硬脑膜作为0点，向下移动z轴位移台，我们一次看到了皮层L1至L6分层的神经元胞体和微血管，之后我们看到了胼胝体致密的纤维结构。在穿过胼胝体后，我们继续向下，我们终于看到了位于海马CA1亚区的神经元胞体。Video2 左下图是小鼠佩戴着微型化三光子探头，在鼠笼(长29厘米× 17.5厘米宽× 15厘米高)中自由探索。左上图是此时小鼠佩戴的微型化三光子探头正在对深度为978 μm的海马CA1亚区神经元荧光钙信号进行成像（帧率8.35Hz，物镜后的光功率为35.9 mW）。右图展示了左上图中10个神经元的钙活动轨迹，尖峰代表钙信号发放。钙活动轨迹上移动的蓝线与小鼠自由行为视频同步。海马体位于皮层和胼胝体下面，在短期记忆到长期记忆的巩固、空间记忆和情绪编码等方面起重要作用。在啮齿类动物研究模型中，海马距离脑表面深度大于一个毫米。由于大脑组织，特别是胼胝体，具有对光的高散射光学特性，所以突破成像深度极限是长期以来困扰神经科学家的一个极大的挑战。此前的微型单光子及微型多光子显微镜均无法实现穿透全皮层直接对海马区进行无损成像。北京大学微型化三光子显微镜成像深度的突破得益于全新的光学构型设计（图3）。作者通过对皮层、白质和海马体建立分层散射模型进行仿真，发现荧光信号从深层组织到达脑表面时已经处于随机散射的状态，使得显微物镜荧光收集效率降低，从而极大限制了成像深度。针对这一问题，经典阿贝聚光镜结构被引入构型设计中：微型阿贝聚光镜与简化的无限远物镜密接可以提高散射光的通透效率；阿贝聚光镜与激发光路中的微型管镜部分复用，可以进一步简化结构，降低损耗。总体上，新微型化显微镜的散射荧光收集效率实现了成倍的提升。图3 微型化三光子显微镜光学构型同时，利用微型三光子显微镜，作者研究了小鼠顶叶皮层第六层神经元在抓取糖豆这一感觉运动过程中的编码机制：发现大约37%的神经元在抓取动作之前就开始活跃且在抓取时最活跃，大约5.6%的神经元在抓取动作之后开始活跃，说明不同神经元参与了不同阶段的编码（图4，Video 3）。这一结果初步展示了微型化三光子显微镜在脑科学研究中的应用潜力。图4 小鼠顶叶皮层第六层神经元在抓取糖豆任务中的不同反应类型Video3 左图是佩戴着微型化三光子显微镜的小鼠在0.5厘米狭缝中用手抓取糖豆吃。中间图是此时微型化三光子显微镜探头拍摄的PPC脑区皮层第6层神经元（位于650微米深度）荧光钙信号（GCaMP6s标记的神经元，帧率15.93 Hz）。右图是选取中间图中5个神经元的钙活动轨迹，其中每条绿线表示一次小鼠的抓取动作。移动的蓝色线与左图的小鼠行为视频以及中间图中的神经元活动同步。视频以正常(×1)、慢速(×0.5)和快速(×10)的速度播放，以便于查看抓取行为。北京大学未来技术学院博士后赵春竹、北京大学前沿交叉学科研究院博士研究生陈诗源、北京大学分子医学南京转化研究院研究员张立风为该论文的共同第一作者，北京大学程和平、王爱民、赵春竹为论文的共同通讯作者。原文链接：https://doi.org/10.1038/s41592-023-01777-3这是程和平院士领衔发表的又一重大微型化显微成像成果。更早之前，由程和平院士牵头研发的微型化双光子活体成像技术，被Nature Methods评为“2018年度方法”，被国家科技部评为“2017度中国十大科学进展”。该技术将传统双光子显微镜中的核心探头，都缩减在一个仅有2.2克重的微小部件中。这项自主研发的核心技术已经成功商业化生产，产品为配戴式双光子显微镜，目前已经在世界多地实现销售，被国内外科学家应用于神经科学研究的多个领域，并获得了业内知名专家学者的高度认可。