勇于冒险 甘于艰苦 乐于和谐

       6月7日下午，医学生物物理学家、中国工程院院士、清华大学医学院讲席教授程京作客第320期“南科大讲堂”，为我校师生带来题为“探医学微生物的高通量/快速检测”的精彩报告。二百余名师生参与本次学术交流活动。        程京院士从事基础医学和临床医学相关生物技术研究，在生物芯片研究中有重要建树和创新。站在国际生物芯片研究前沿并结合国情，主持建立了国内急需的疾病预防、诊断和预后分子分型芯片技术体系，领导研制了基因、蛋白和细胞分析所需的多种生物芯片，其中大部分芯片已通过国家药品监督管理局认证、进入临床应用，实现了生物芯片所需全线配套仪器的国产化进程。如今，程京院士秉承“中医西释，守正创新”的理念，带领团队实现了从西医领域到中医领域的突破-打造了以中医智能诊疗装备、分子本草技术和情志调理等中医药现代化为核心的大健康智能管理平台，为中医药现代化的传承创新提供了全新的科学发展路径。        讲座中，程京院士首先介绍了其领导研发的世界首张SARS病毒基因检测微阵列芯片系统在SARS疫情防控中的应用，利用基因芯片首次成功实现了对非典病人临床样本的检测和确认，最终北京对外宣布非典解禁，所依据的就是这些芯片对最后有基础病出不了院的近百号病人的样本进行检测后出具的阴性报告结果。2019年12月，程京院士团队开发的超广谱病原微生物mNGS检测技术率先检出来自武汉的新型冠状病毒样本，为全国疫情拉响警报。依托近20年在病原体检测领域的技术积累和成果转化，团队第一时间开发了用于新冠鉴别诊断的多病毒恒温扩增核酸快速检测芯片，并向武汉捐赠1.2万人份检测试剂盒，用于华中科技大学同济医学院附属协和医院、华中科技大学附属同济医院（中法院区）、武汉火神山医院及湖北省人民医院临床一线新冠肺炎的鉴别诊断。配合已有的13项呼吸道细菌核算快速检测芯片，形成了细菌+病毒全覆盖的呼吸道病原体快速检测方案。最值得一提的是，由程京院士带领团队突击攻关研发的全球首个无空间隔离要求的车载式全集成新冠病毒核酸检测移动实验室，搭载自主研发的“样品入-结果出”全集成芯片系统，实现多种需求场景下的高灵敏度不开盖快速检测，45分钟即可完成全程实验，35分钟报告阳性结果，这项技术成功保障了2022年北京冬奥会、冬残奥会各国首脑、政要的落地核酸检测，并执行了印尼总统、德国总理访华代表团停机坪现场快速放行检测任务，以及全国两会、央视春晚等国家重大活动的防疫保障工作。最后，程京院士结合自己数十年来的研究心血和科研经历，为大家展现了快速便携式检测方向的创新性成果，并对其生物芯片未来研究发展方向和跨领域应用做出了展望。        讲座结束后，我校代理副校长、联合医学院院长顾东风、生物医学工程系主任蒋兴宇为程京院士颁发南科大讲堂荣誉证书。

       在6月4号结束的“霞客杯”中国江阴第六届创新创业大赛深圳赛中，来自南方科技大学生物医学工程系的六名学生组成的“鹏城扬帆”团队，设计研发了“科达派宁”产品，从全广东省十余所高校，五十多组队伍中脱颖而出，一举拿下深圳赛区研究生组总冠军头衔。        另三支南科大队伍分别取得本科生组二等奖，研究生组二等奖和三等奖的佳绩。其中，“科达派宁”团队和获得研究生组二等奖的“微时医疗”团队获得了十月份前往江阴参加全国总决赛的资格。        “我还记得在队伍成立的第一天，我们就笑着调侃要拿下晋级资格一起去江阴，也是我们团队成员赵恩泽的老家参观，还把微信群名改成了‘江阴观光团’。当主持人宣布我们获得冠军的时候，我们立即高声欢呼并鼓掌。接过奖杯时，我仍然兴奋不已，觉得过去几周的劳累都得到了回报。”获得冠军的“科达派宁”队伍成员，2023届生物医学工程专业学生黄瀚玮说道。他和同课题组的赵恩泽，王岩松等人组团参加了这次比赛。        “鹏城扬帆”团队在比赛中展示了名为“科达派宁”的口腔水凝胶设计，针对口腔科临床的止血镇痛问题并且基于实验室多年的技术积累，创新性地开发了这款产品，旨在缓解患者疼痛，并可以帮助患者更快恢复。“目前中国国内的口腔耗材有90%依赖于进口，在性价比底下的同时功能较为单一，我们想通过这次比赛向社会分享我们的解决方案。”团队成员，知名口腔外科医生王岩松说，“同时，这也可以加强国产产品在全球医疗器械市场的竞争力。”        “科达派宁”的6位同学表示，南方科技大学生物医学工程系的唐斌教授和由他创立的先进生物力学与材料实验室为他们这个项目提供了有力的支持，打下了坚实的基础，“唐斌老师提供的意见和资源非常有帮助，”吴宇珣说，“每次我们向唐老师发信息询问相关问题时，他都会根据我们的进度和问题，在经过深思熟虑后与我们一起讨论项目，提供详细的指导和合理的规划。        “由于准备时间短，在指导过程中，我们主要是帮团队围绕一个好的项目，构建一个符合商业理念且切实可行的创业方案，再让他们将其很好地呈现出来。这其中的每个环节都有一定难度，但是他们能在短时间内接连修改项目，每个人都抱有极大的热情，让我们感觉非常惊喜。”学工部负责指导的李斯明老师说。        团队成员何逸冲表示，他很享受和队友一起完善项目的过程。虽然非常辛苦，但是大家互相讨论、改进想法，能够展开更具思辨性的思考，修改出更完善的方案。        除了商业理念富有创意外，赵恩泽认为，出色的演讲技巧和临场表现是“科达派宁”团队的另一大亮点。这是南方科技大学的课程主张“学生参与度和展示”的授课模式赋予他们的独特优势。        下一步，“鹏城扬帆”团队将以“霞客杯”大赛决赛为契机，加强生物医学工程系和企业在成果转化、人才培养、校企协同等方面的合作，为全面推进中国国产口腔高值耗材生产提供有力科技支撑。

       现代社会中，我们每个人都可能面临挑战和压力，而这些心理困境可能在我们的日常生活中悄然产生，对于心理危机的认识和应对成为了当下至关重要的话题。5月24日上午，应生物医学工程系第三党支部邀请，深圳市康宁医院徐福山主任给广大师生们带来了一场备受期待的心理健康讲座，以深入浅出的方式，帮助大家了解心理危机的本质，提供宝贵的见解和实用的指导，助力师生们在心理挑战中更加坚强地前行。         通过讲座，徐主任详细介绍了心理危机的概念，在面临巨大压力或困境时，个体无法有效应对并产生严重心理不适的情况，这种状态可能导致情绪波动、失眠、焦虑、抑郁等一系列精神损害。随后，徐主任列举了一些典型的心理危机表现，以帮助大家更好地辨识。这些表现包括突然的情绪变化、社交退缩、自我忽视、消极的自我评价以及对日常活动失去兴趣等。通过了解这些常见表现，人们可以更早地发现自己或他人身上的心理危机迹象，从而及时采取行动。最后，徐主任详细阐述了紧急心理救援的原则。他强调了及时倾听和支持的重要性，鼓励人们积极表达情感并尽早寻求专业帮助。        “心灵相约，健康同行”是生物医学工程系第三党支部的特色系列项目，也是党总支“健康引领生医工”的重要举措。今后，第三党支部将持续开展“心理大讲堂”、“心理趣味团建”、“义演”、“传统文化进校园” 、“红色观影”等多种活动，在帮助师生解决内心疑惑、疏解情绪、涵养心灵上持续发力，促进大学生心理健康和全面素质发展，为国家、社会输送高水平人才。   采写：史彦祺

       为进一步优化基层组织架构，充分发挥党建引领作用，经工学院党委批准，5月14日下午，中国共产党南方科技大学生物医学工程系委员会成立大会暨第一次党员大会在第一教学楼111教室召开。工学院党委书记、副院长贡毅，党委副书记彭中华，生物医学工程系主任蒋兴宇等列席会议。会议由生物医学工程系党总支副书记张明明同志主持。        大会在庄严神圣的国歌声中拉开序幕。工学院党委副书记彭中华宣读《关于同意生物医学工程系召开党员大会、开展选举工作的批复》。        生物医学工程系第一党支部书记吴德成同志代表生物医学工程系党委筹备组向大会报告筹备工作情况。他介绍，生物医学工程系党支部成立于2019年1月，从最初的15名正式党员到如今共有正式党员102名，预备党员12名，发展对象13名，入党积极分子18名。工学院党委对候选人预备人选进行了深入的考察，可以确定本届党委委员候选人预备人选具有广泛的代表性，他们在党员中享有较高的威信，有较强的党性原则和议事参政能力。        随后，蒋兴宇主任代表系行政领导致辞，他表示，生物医学工程系成立于2016年，党支部成立于2019年1月，从最初成立时的15名正式党员，发展到今天的102名党员，这离不开学校党委和工学院党委的正确指导。希望生物医学工程系党委第一届委员会能够不忘初心，牢记使命，全面梳理基层党建工作，努力争创先进，为加快生物医学工程系建设提供坚强的组织保障。        史彦祺同志宣读生物医学工程系第一届委员会委员选举办法（草案）和总监票人、监票人、计票人名单，张明明同志宣读中共南方科技大学工学院生物医学工程系第一届委员会委员候选人预备人选名单，全体参会党员举手表决通过。        大会进行投票、计票，选举产生中共南方科技大学工学院生物医学工程系第一届委员会委员。        总监票人唐建波同志报告计票结果。        经大会全体参会党员无记名差额选举，王丹、李依明、张明明、吴德成、肖凯、肖然、奚磊（以姓氏笔画为序）7名同志当选中国共产党南方科技大学工学院生物医学工程系第一届委员会委员。        会上，贡毅书记代表工学院党委对大会的召开和新当选的生医工系第一届党委委员表示祝贺，并对生医工系新一届党委提出三点要求：一是继续强化党建工作意识，发挥党建引领作用；二是始终坚持思想政治学习，持续强化理论武装；三是创新主题活动，激发党建活力。希望党委充分发挥引领作用，党政凝聚合力，着力推动生医工系中心工作开展，为推动我校“双一流”建设和生医工系高质量发展贡献力量。        随后，生物医学工程系党委委员会召开了第一次全体会议，选举吴德成同志为党委书记，张明明同志为党委副书记，并明确各委员的工作分工。        本次大会标志着生物医学工程系党建发展进入了新阶段，新一届党委班子将团结带领全系师生，以更加饱满的热情与更加务实的作风，扎实推进各项工作，向着新的发展目标奋勇向前！     图片｜赵晓刚 文字｜肖   然 审核丨于柳、李娜、王丹

       近日，南方科技大学微流控-生物材料实验室在利用内外工程化外泌体原位重新编程肿瘤相关巨噬细胞领域取得了一系列进展，研究成果以“In Situ Reprogramming of Tumor-Associated Macrophages with Internally and Externally Engineered Exosomes”为题，发表在化学领域高水平期刊《Angewandte Chemie》上。        分子工程化构建的外泌体在肿瘤治疗等生物医学应用领域潜力巨大。如果能利用分子工程化构建的外泌体调节调节肿瘤微环境，将为肿瘤治疗打开一扇大门。 肿瘤相关巨噬细胞 (TAM) 在多数实体瘤中大量存在，其中促进肿瘤生长的是M2型而抑制肿瘤生长的是M1型。如果分子工程化构建的外泌体可把M2型TAM逆转为M1型，不仅抑制并杀死实体瘤中的肿瘤细胞，且抑制其转移。        外泌体是细胞天然分泌的带有细胞膜、蛋白质的纳米结构，是细胞间通讯的重要工具。它们具有优良的稳定性和生物相容性，被开发为的新的治疗工具，有可能用于药物的递送。与目前采用肽、配体、聚合物甚至细胞膜表面功能化的方法相比，外泌体和纳米颗粒的结合体在免疫逃逸方面表现出更好的性能。然而，天然外泌体通常缺乏预期的功能，例如高特异性和载药的便利性。        近日，南方科技大学微流控-生物材料实验室通过基因编辑(CRISPR/Cas9敲入技术)，将TAM靶向肽（CRV）序列融合到溶酶体相关膜糖蛋白 2基因，并敲入细胞特定位点，使CRV在敲入细胞株的外泌体表面高表达。同时，他们将具有核靶向递送功能的聚氨基酸酯复合转录抑制功能的质粒，进而采用分离的外泌体膜包裹核酸复合物，从而构建内外工程化外泌体（I3E）。通过内外工程化构建策略，可将转录抑制系统构建到核心部位，而TAM靶向肽构建到外泌体表面。        I3E可从DNA水平，高效、精准抑制目标基因的表达。首先，含有CRV靶向肽的I3E可有效识别类维生素A X受体，增强细胞TAM对纳米颗粒摄入。其次，目标基因PI3K-γ的抑制，可有效诱导TAM的M1极化。诱导的M1细胞可分泌高水平的TNF-α、IL-6等肿瘤抑制因子，并可直接攻击肿瘤细胞，使其凋亡或坏死。        同时，I3E在体内的应用中具有独特优势。他们在非小细胞肺癌荷瘤小鼠模型中评估后发现，I3E可有效克服循环过程中的阻碍，并穿透肿瘤部位屏障，靶向TAM，诱导其向M1极化，有效抑制肿瘤的发展，并对小鼠没有明显的毒性。最后，免疫荧光鉴定治疗后的肿瘤组织发现，肿瘤微环境中的M1型巨噬细胞、CD4+ T细胞和CD8+ T细胞显著增加；反之，M2型巨噬细胞和髓源性抑制细胞显著减少。        总之，作者构建了内外工程化外泌体I3E，其中转录抑制系统经内部工程化，TAM特异性肽经外部工程化到外泌体膜上。I3E能将TAM原位重编程为M1型巨噬细胞，从而唤醒“热”肿瘤免疫，显著抑制肿瘤的发展。因此，I3E通过重编程TAM，在免疫治疗中展现出巨大的潜力。这种方法可扩展并简化用于治疗癌症、炎症和心血管疾病的生物药物（如 mRNA、肽或蛋白质）的递送策略。     论文信息： In Situ Reprogramming of Tumor-Associated Macrophages with Internally and Externally Engineered Exosomes Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202217089 原文链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202217089   Angewandte Chemie International Edition 《德国应用化学》(Angewandte Chemie)创刊于1888年，是德国化学学会（GDCh）的官方期刊并由Wiley–VCH出版。作为化学领域的权威期刊，《德国应用化学》涵盖了化学研究的各个领域，刊发包括新闻、综述、观点、通讯、研究论文等在内的各种内容。

       2023年4月27日-28日，BME科研成果展在工学院北楼协作中心举办，生物医学工程系19个课题组携各自最新科研成果亮相，为广大师生带来了一场沉浸式学术科研盛宴。中国科学院院士、南方科技大学代理副校长顾东风到场与课题组师生指导交流。 顾东风院士与我系师生交流 活动现场          现场通过仪器展示、成果讲解、实物展览、互动体验等形式，集中展示了我系各课题组的代表性成果。展区现场人潮涌动，热闹非凡，多项前沿科研成果吸引众多嘉宾观众驻足观看讨论，频频点赞。        科研枝头春意闹，课题成果遍地花。本次成果展助力营造了我系良好的科研学术氛围，通过搭建成果展这个科研交流平台，增进了师生对生物医学工程系的了解，加强了各课题组之间的沟通交流，促进了科研合作。          乘风破浪，创启未来。生物医学工程系将秉承“明德求是，日新自强”校训精神，坚持立德树人，坚持培养拔尖创新人才，加快建设人才中心和创新高地，为生物医学工程领域研究、提升立德树人实效作出应有贡献。

       2023年4月14日，生物医学工程系组织了一次参观腾讯滨海大厦展厅的活动，旨在让同学们了解腾讯科技的发展和创新成果，进一步拓宽知识视野，启发生医工与科技结合思考，培养拔尖创新人才。        腾讯科技有限公司是中国最大的互联网综合服务提供商之一，同时也是中国服务用户最多的互联网企业之一。作为全球领先的科技公司，腾讯秉持“科技向善”的理念，不断推动技术创新和社会发展。在滨海大厦展厅，同学们通过实地观察和互动体验，深入了解了腾讯的业务范围、创新理念和科技产品。展厅中，腾讯公司的研发成果及产品展示让同学们大开眼界。 腾讯云展厅        首先，同学们了解到腾讯云在云计算、大数据、人工智能等领域的技术应用和优势，云参观了腾讯云的数据中心，深入了解了云计算技术的应用场景。 腾讯觅影——AI医学解决方案专家        参观中，讲解员重点介绍了与生物医学工程和智能医学工程专业息息相关的“腾讯觅影”项目，这是腾讯首款将人工智能技术运用到医学领域的产品，将机器学习、计算机视觉、语音识别、自然语言处理等AI领先基于与医学融合研发，致力于辅助医生进行疾病筛查和诊断，提高临床医生的诊断准确率和效率。此外，同学们了解到腾讯在语音识别、自然语言处理、计算机视觉、智能问答等方面的技术研发成果，感受到人工智能在现代社会中的广泛应用。 腾讯游戏展厅        通过宣传片，同学们了解到腾讯游戏在国内外游戏市场中的地位和优势，云参观了游戏研发工作室，了解了游戏开发的流程和工具。        此次参观活动，不仅让同学们了解了腾讯的创新和技术成果，更让他们感受到科技创新的力量和广阔的前景。生物医学工程系将继续举办类似的活动，为同学们提供更多机会去了解先进的科技和理念，提高自己的学习和实践能力。快来看看同学们的参观后感吧！   生物医学工程系19级本科生 赵玉泠：        这是我第一次参观腾讯公司，听着展厅小哥哥的介绍，我才猛然发现，不知不觉间手机app里已经有了不少腾讯公司旗下的产品：除了交流必备的QQ 微信，还有QQ音乐，王者荣耀，腾讯视频，全民K歌等等。腾讯产品已经渗入到生活工作的方方面面。此外，腾讯智慧化、数字化建设与办公也让我耳目一新，最直观的体验就是智能分配的电梯系统，让我耳目一新。   生物医学工程系21级本科生 赵恩泽：        作为中国互联网企业的翘楚，腾讯与我们息息相关。很有幸能跟着生医工系参观腾讯滨海大厦，对腾讯作深入的了解。俗话说:“誉满天下，谤满天下”，尽管大众对它颇有微词，但不可否认的是腾讯通过20多年的发展在通讯、娱乐、云服务、医药、公益等领域为社会做出了巨大的贡献。希望我们系未来能多和诸如腾讯的企业强强联手，校企共创，相得益彰！   树仁书院22级本科生 孙泽荣：        上周五，在腾讯滨海大厦，了解了腾讯公司的发展历程与战略布局（btw腾讯的文创玩偶很可爱）。与刘泉影教授讨论了如何在微观机制不明确的情况下理解宏观拟合等问题，使我拓宽了视野，受益颇丰。感谢生医工为我们提供这一难得的实地参观和与大佬交流机会。   致新书院22级本科生 陈麒为：        这次参观腾讯简直是一次大开眼界的活动。我原本以为的古板、无聊又忙碌的大厂居然是如此地气派、先进、充满活力。QQ微信、打冰球机器人、三秒看片出医疗方案、小红花公益、腾讯游戏……腾讯的业务已经渗透进我们生活的方方面面。这次腾讯之旅让我看到了一个真正关注生活、关注人，思考问题、解决问题的公司，对我的震撼其实不止在其与生医工的相关程度，总之是非常有意义的活动，而且好吃好玩，支持支持！     采写：史彦祺

       近日，广东省科学技术厅公布了2022年度广东省工程技术研究中心的认定结果。我系牵头的广东省智能医用材料工程技术研究中心确认获批。        为贯彻落实习近平总书记关于强化企业创新主体地位的系列重要讲话精神，持续实施创新驱动发展战略，加强企业研发机构建设，促进科技成果转化，有效支撑“双十”产业集群发展，广东省科技厅于2022年开展了广东省工程技术研究中心（以下简称“工程中心”）认定工作。        工程中心是建立以市场为导向、产学研用深度融合的技术创新体系的重要载体，是推进研发机构建设，提高自主研发能力的重要抓手。        围绕产业发展的重要需求，我系将搭建技术创新平台，突破制约产业发展的关键共性技术，培育行业领军企业，培养创新领军人才，为推进粤港澳大湾区国际科技创新中心和科技强省建设提供有力支撑。        我系将以工程中心为基础，加大科研投入和条件建设，加强技术攻关和协同合作，加速成果转化和人才培养，在产业高质量发展中发挥科技支撑和引领示范作用。   图文：罗睿田

       近日，南方科技大学生物医学工程系张华威等科研人员在Nature Communications杂志上以“Cryo-EM structure of human heptameric pannexin 2 channel”为题发表研究论文，报道泛连蛋白Pannexin 2 (Panx2)的冷冻电镜结构及工作机制。            泛连蛋白（Panx）可形成大孔非选择性的膜通道，包括Panx1、Panx2及Panx3三类成员。Panx2可介导相邻细胞之间或者细胞与细胞外基质之间的物质交换，转运ATP及钙离子等小分子，在细胞通讯和细胞稳态中发挥重要作用。Panx2的功能异常可导致缺血性脑损伤、神经胶质瘤和多形性胶质母细胞瘤等多种疾病。相对于Panx1及Panx3，Panx2 有着较长的序列和独特的C端结构域，对Panx2的结构研究可为 Panx家族工作机制提供新见解。        在本项工作中，研究人员通过一系列表达条件及纯化条件的筛选，得到适合冷冻电镜研究的Panx2样品，在南科大冷冻电镜中心进行冷冻条件的筛选及数据收集工作，并最终获得分辨率为3.4 Å的Panx2通道结构（图1）。Panx2 由七个相同的亚基组成，它们围绕跨膜通道以七重对称的方式进行组装。每个亚基可分为三个结构域：胞外结构域 (ECD)、跨膜结构域 (TMD) 和胞内结构域 (ICD)。其中胞外结构域中的Q91、E102、S264及Y94残疾分别与相邻亚基的Y82、Q285、Y82及S278残疾形成相互作用位点，胞内结构域中的CH1 和 CH3螺旋分别与相邻亚基的CH6 和 CH7螺旋相互作用，这些位点共同形成了Panx2七聚体的结构基础。   图1. Panx2冷冻电镜结构          通过Panx2与Panx1的结构比对分析、Panx2通道半径分析以及Panx2通道静电情况分析，研究人员推测本项目获得的Panx2结构处于开放状态。位于细胞外入口处的七个R89精氨酸残基组成的环形成通道的最窄部位，作为调控底物选择性的分子过滤器。这些观察得到分子动力学模拟及ATP 释放实验的进一步验证 （图2）。本研究加深了人们对 Panx2 通道的认识，也为理解Panx家族的工作机制提供新的见解。   图2. R89残基调控Panx2通道的开闭          生物医学工程系博士后张行博士为本文第一作者，张华威副研究员及中科院深圳先进技术研究院的袁曙光教授为本文通讯作者。南方科技大学为本文第一单位及通讯单位。本项目得到国家自然科学基金委员会、深圳市科技创新委员会、南方科技大学冷冻电镜中心等单位在资金及技术方面的支持。   论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36861-x  

       为迎接同学们重返校园，帮助同学们迅速调整至开学状态并投入到全新的学习和生活当中，3月3日中午，来自生物医学工程和智能医学工程两个专业的60名本科生在工学院南楼813报告厅召开了2023年春季学期第一次主题班会。生医工系主任蒋兴宇、党总支书记奚磊、副系主任吴长锋、班主任唐斌老师共同参与了此次活动。   蒋兴宇老师与同学们交流 吴长锋老师与同学们交流 奚磊老师与同学们交流 唐斌老师与同学们交流          本次班会主要围绕“着眼未来、脚踏实地，实现人生理想价值”的主题进行展开交流。参会老师结合自身学习与科研工作的经历，深入浅出地向在场同学讲解如何做好时间管理、如何培养学习兴趣等问题，鼓励同学们要抓紧时间，认真做好学习科研、升学就业、英语学习等各项规划。        会后，同学们积极发言提问，老师们对此一一进行答疑。本次班会的顺利召开，有助于帮助和引导学生客观认识自我，及时确立生涯目标和个人发展路径，从而通过不断奋斗实现人生理想。        新学期，新气象。希望同学们从今天起，能给自己的人生做好规划，在新的一年都能有所收获，书写崭新篇章。     采写：王丹、肖然

      近日，南方科技大学生物医学工程系助理教授郭琼玉团队与电子与电气工程系助理教授唐晓颖团队合作，发表了一种可视化3D肿瘤栓塞模型，该模型结合深度学习以及图分析方法，在肝癌化疗栓塞体外评估模型构建中取得了重要进展。研究成果以“基于深度学习定量分析的3D局部化疗栓塞药物缓释模型的构建（A 3D Tumor-Mimicking in Vitro Drug Release Model of Locoregional Chemoembolization Using Deep Learning Based Quantitative Analyses）为题，在《先进科学》（Advanced Science）上发表。        肝细胞癌占据原发性肝癌90%以上，具有高侵袭性和致死率，仍然是一个世界性的健康问题。经动脉化疗栓塞（transarterial chemoembolization），是针对不可切除的肝细胞癌治疗首选治疗手段，该治疗对肿瘤血管进行栓塞时输送高浓度化疗药物，使药物在肿瘤供血血管内长期滞留，局部缓慢释放，进而促进肿瘤的坏死。然而该手段的治疗效果一直存在争议，因此设计理想的栓塞模型评价肿瘤内部释药情况，准确评估不同栓塞制剂在体内的治疗效果具有重要的意义。 图1基于深度学习的可视化3D栓塞模型示意图        郭琼玉教授团队和唐晓颖教授团队合作，利用脱细胞肝脏，设计了一种基于深度学习的脱细胞肝脏3D可视化药物释放肿瘤模型（图1）。该模型中包含了影响体内药物释放的三个关键特征：复杂的血管系统，影响药物扩散的电负性细胞外基质，以及可控的药物损耗。所设计的基于注意力机制与对抗训练的U形分割网络可以实现少量标注样本下的血管栓塞区域的精准分割。进而结合一系列图像处理及图分析算法，成功实现了药物损耗的精准且自动量化统计分析。为了进一步验证该模型的可行性和准确性，该研究对药物在肿瘤部位的栓塞深度、药物在血管内的残留以及血管外的药物扩散就进行了定量分析，实现了体内-体外相关性的建立。        利用所建立的可视化模型，初步评估了化疗药物阿霉素溶液三种不同形态药物制剂在血管内部的栓塞效果（图2）。研究者运用图像处理算法对所分割的栓塞血管进行骨架提取，并构建自定义的多层级树，随后在不同树层级进行量化分析及统计比较，可以清晰明了的刻画三种制剂80天内栓塞深度的差异以及血管内药物残留变化。 图2阿霉素栓塞制剂在3D脱细胞肝脏栓塞模型中的栓塞效果比较。DOX: 盐酸阿霉素水溶液；EO-DOX：碘化油-阿霉素乳剂；DEB：阿霉素洗脱微球。         化疗药物在肿瘤内的局部药物浓度是决定其治疗效果的重要因素，得益于3D模型的可视化性能，研究者详细分析了药物从血管内扩散的区域和荧光强度，并与体内实验中药物扩散行为进行对比，发现该模型的评估结果与体内研究结果具有一致性，验证了该栓塞化疗模型应用于体内-体外一致性评价的有效性，对新型药物制剂的研发和临床栓塞化疗效果的评价具有重要指导意义（图3）。 图 3 药物洗脱微球在血管外扩散距离的测定以及体内-体外相关性评价。        南方科技大学生物医学工程系博士后刘晓亚、电子与电气工程系硕士毕业生王雪莹为论文共同第一作者，生物医学工程系郭琼玉助理教授、电子与电气工程系助理教授唐晓颖为共同通讯作者。南方科技大学为论文通讯单位。合作作者包括南方科技大学19级硕士生罗煜成，21级硕士生王美娟，18级本科生韩晓昱等；感谢国家自然科学基金项目、广东省广创团队、深圳市科创委和南科大等经费资助和大力支持。          论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202206195?af=R 

      近日，南方科技大学生物医学工程系先进显微成像课题组李依明团队在三维全细胞大视场高通量超分辨成像领域取得重要进展，相关研究成果以 “Field-dependent deep learning enables high-throughput whole-cell 3D super-resolution imaging”为题在国际顶级期刊Nature Methods上长文发表。        具有高对比度和超分辨率的荧光显微镜彻底改变了细胞生物学研究。此外，生物医学研究通常需要大量的统计分析才能得出具有高置信度的结论，具有丰富信息内容的高通量成像被广泛应用于定量生物学研究。一个新兴的趋势是发展用于高内涵筛选的高通量超分辨显微成像技术。基于宽场成像的单分子定位超分辨显微成像技术（single-molecule localization microscopy, SMLM），将光学分辨率提升一个数量级以上，理论上通过使用大面阵探测器就可以在不损失分辨率和速度的条件下，提升成像通量。然而，视场相关的像差通常将SMLM有效的成像区域局限在几十微米的尺度。传统的大视场超分辨成像需要多区域拼接完成，效率非常低下，限制了其对大尺寸样品进行高通量成像。        研究团队提出了一套针对空间移变点扩散函数（point spread function, PSF）精准定位的深度学习算法框架FD-DeepLoc（field dependent deep learning localization）。该框架集成了一套基于GPU加速的矢量PSF全局拟合算法和利用时空信息进行移变单分子定位的深度学习神经网络，在180×180×5 µm3范围内实现了无需扫描的全细胞超分辨成像，将三维SMLM的成像通量提升了约100倍(DOI ：10.1038/s41592-023-01775-5)。该工作为超分辨显微成像领域提供了新的技术思路和视角，对研究完整细胞群或组织中纳米级生物结构具有重要的理论意义和应用价值。          为了对大视场中的移变PSF进行精确建模，团队从适用于高数值孔径物镜的矢量PSF建模出发，构建了一套可描述任意位置像差的空间移变PSF模型。结合团队之前发表在Nature Communications的全局拟合算法globLoc对不同z平面的点光源图片进行全局拟合，实现对像差的高精度估计[1]。考虑到建模整个大视场空间移变的像差（21项泽尼克多项式系数表示）需要对整个视场进行上千次的采样，而基于矢量衍射德拜积分理论建立的PSF模型的计算涉及到多次傅里叶变换，计算量非常大。为了加速这一过程，团队开发了领域内第一个基于GPU加速的矢量PSF模型拟合算法和像差校正软件，将校正速度提高了50倍，满足了大视场的PSF建模需求。        近年来，深度学习算法已被广泛应用于科学研究中。凭借出色的特征感知能力和端到端的图像拟合能力，深度学习在SMLM中展现出远超传统算法的性能，尤其是对于分子高度重叠的情况。传统的卷积神经网络对图像中不同的区域使用的是同一个卷积核，对空间位置不敏感。当目标与其空间坐标解耦时，卷积神经网络往往能在目标识别中表现优异。然而，光学像差通常是静态的并且与其位置高度相关。对于大视场成像，需要空间位置敏感的超分辨重建算法。为了克服视场相关的像差，团队在卷积神经网络中引入两个位置相关的通道，卷积核在卷积单分子图片的时候，也对这两个位置通道进行卷积，从而把位置相关的信息编码到神经网络里（图1）。FD-DeepLoc突破了传统卷积神经网络对空间位置不敏感的局限，在全画幅sCMOS相机（1608×1608）视场范围内对空间移变的单分子数据精准定位，实现了三维大视场高通量超分辨成像。 图1 FD-DeepLoc网络框架图        深度学习算法通常需要先验知识对网络进行训练。在FD-DeepLoc网络中，通过精确建模物理成像过程生成海量数据，有效避免了深度学习过拟合的问题。此外，FD-DeepLoc唯一的先验就是PSF模型，不需要预先知道生物样品的结构信息，所以无需对不同的样品重复训练网络。考虑到校准系统PSF时存在测量误差以及样品自身引入的像差，FD-DeepLoc采用鲁棒训练策略，对PSF模型中的像差引入先验分布，同时将不均匀背景建模为柏林噪声，利用上述训练数据得到的网络表现出更好的鲁棒性和精确率。在模拟和实验数据中（图2），FD-DeepLoc相对于目前领域内两个表现最好的算法——团队2018年在Nature Methods上发表的基于三次样条插值的传统单分子拟合Cspline算法[2]和基于神经网络的DECODE算法[3]，都有显著的提升。在三维超分辨定位精度指标均方根误差（root-mean-square error, RMSE）上相比于DECODE提升近两倍。此外，FD-DeepLoc包含的大视场空间移变的矢量PSF建模和基于深度学习的单分子定位算法提供开源（https://github.com/Li-Lab-SUSTech/FD-DeepLoc）。 图2 FD-DeepLoc用于分析大视场下核孔复合物实验数据        大视场成像可以用来对大尺寸样品进行研究。体外培养神经细胞通常都在几百微米的范围内生长，传统的超分辨成像一般只能看到小于50 µm的轴突片段，往往忽略掉一些不常见的结构，而且无法在更大的尺度上观测神经元之间的精细互作信息。研究人员利用小鼠胚胎干细胞诱导的神经细胞，选用β2血影蛋白作为观测对象。利用传统散光调制的PSF进行三维超分辨成像（图3a-e），血影蛋白沿神经突的周期性组织清晰可见。然而，传统散光PSF的景深有限，难以对哺乳动物5-10μm典型细胞厚度进行全细胞成像，图3d由于重建的超分辨图像景深受限在1 μm左右，离焦处的神经突结构有部分图像丢失。 图3 β2血影蛋白在神经细胞中的三维超分辨成像。比例尺，50 μm （a，f），10 μm（d），1 μm（b，c，g–j）          为了拓展轴向成像范围，通常对光瞳函数进行调制得到不同形状的PSF来对不同景深范围的样品进行成像。传统的大景深PSF往往需要复杂的光瞳函数实现，需要用到高像素的空间光调制器。然而，空间光调制器对偏振敏感，用来对荧光信号进行成像会损失一半的光子数。与空间光调制器相反，可变形镜对光子数的利用率比较高，但是能控制的促动器数量较少。为了能精确获得可变形镜调制的光瞳函数，团队提出了一种以可变形镜促动器响应函数为基函数的相位设计框架[4]，优化得到了一系列基于可变形镜的三维精度最优PSF（DM-optimized PSF, DMO PSF）。DMO PSF可实现自由景深控制，显著提高了SMLM的图像质量（图4）。对于神经细胞的成像实验，采用可变形镜优化的3µm景深DMO PSF进行数据采集，即使在具有大直径的神经突中，也可以很好地重建血影蛋白的三维分布（图3f-j）。 图4 DMO-PSF原理及成像效果        大视场成像也带来了数据通量的提升。得益于高通量成像的能力，研究人员利用 FD-DeepLoc可以在短时间内采集到上百个不经过人工挑选的全细胞线粒体超分辨图像。如图5所示，研究人员在16个感兴趣的视场区域，利用FD-DeepLoc重建出121个全细胞线粒体三维超分辨图像（图5a）。通过提取这些细胞的形态（分叉、长度、球形度等）进行聚类分析，得到三种不同类型的线粒体细胞。如图5b所示，类型1细胞包含更多的小圆形线粒体和更少的分支结构；类型2细胞包含延伸的管状线粒体和更复杂的网络结构；类型3细胞含有球形和管状线粒体的混合物结构。精细的全细胞结构超分辨分析为细胞组学提供了新思路。 图5 全细胞三维超分辨线粒体图像的定量分析。比例尺，50 μm（a），10 μm（b1）        综上所述，该团队提出了一种可以对空间移变PSF进行精确定位的深度学习算法，结合GPU加速的矢量PSF拟合算法对大视场像差进行快速精准建模和基于可变形镜调制的DMO PSF自由景深控制，实现了三维全细胞大视场高通量超分辨成像。相比于传统基于散光的三维SMLM成像，FD-DeepLoc将SMLM的成像通量提高了约100倍，充分利用sCMOS的全画幅面阵实现高保真的生物结构重建和高精度体积成像。该工作无需复杂的硬件自动化即可将SMLM从低通量技术转变为高通量成像技术，使大尺寸样品的体积三维超分辨成像成为可能，这有助于生物学研究中罕见结构或事件的发现，并提高生物学研究中的定量统计分析能力。未来可利用最新更大面阵的sCMOS相机，对进一步提升超分辨成像的通量至毫米级尺寸，可为脑切片、病理样品和类器官等大尺寸样品成像提供新的技术手段，使研究人员在大尺寸厚样品原位解析生物大分子结构的同时分析细胞种群间的微小差异，为结构生物学、细胞生物学的研究提供新视角。        南方科技大学生物医学工程系的李依明副教授为该论文的通讯作者，在读博士生傅爽和石伟为论文的共同一作，南方科技大学为第一通讯单位。该项目得到了山东省重点研发计划，深圳市孔雀团队和南方科技大学启动资金等科研项目的支持。   原文链接：https://www.nature.com/articles/s41592-023-01775-5   参考文献： 1. Li, Y. et al. Global fitting for high-accuracy multi-channel single-molecule localization. Nat. Commun. 13, 3133 (2022). 2.Li, Y. et al. Real-time 3D single-molecule localization using experimental point spread functions. Nat. Methods 15, 367–369 (2018). 3.Speiser, A. et al. Deep learning enables fast and dense single-molecule localization with high accuracy. Nat. Methods 18, 1082–1090 (2021). 4.Fu, S. et al. Deformable mirror based optimal PSF engineering for 3D super-resolution imaging. Opt. Lett. 47, 3031 (2022).   撰文：石伟，傅爽 审核修改：李依明   作者简介： 李依明，南方科技大学研究员，2009、2010、2015年分别于上海交通大学、海德堡大学、卡尔斯鲁厄理工学院获得生物医学工程学士、医学物理硕士和生物物理博士学位。2016-2019年受玛丽居里博士后奖学金资助，分别在欧洲分子生物实验室和耶鲁大学任职博士后和访问学者。长期致力于研究三维超高分辨显微成像技术及其生物应用，在光学仪器研发，光学理论和成像算法等方面均有一定的积累，近五年来发表高影响力论文13篇，其中第一/通讯作者论文7篇，包括Nature Methods（2篇），Nature Communications（1篇），Optics Letters（3篇）等。入选“深圳市海外高层次人才B类”，目前和包括来自EMBL，耶鲁大学，牛津大学和剑桥大学等多个实验室有合作关系。课题组长期招收博士后、研究助理及博士/硕士研究生，有物理，光学工程、计算机、机械工程、生物医学工程、生物技术、生物化学等相关专业背景，要求具备良好的学习能力、独立工作能力和团队沟通能力。 课题组主页：https://li-lab-sustech.github.io/ 有意者请将个人简历发送至李依明副教授邮箱：liym2019@sustech.edu.cn。 研究团队人员合影（通讯作者前排中间，共同一作前排左4和前排右1）