Dem Licht folgen: Er nutzt „Photon Imaging“, um die biologische Welt zu erhellen!

Glühwürmchen sind in meinen Erinnerungen an den Sommer immer präsent. Nachts versammeln sie sich oft am Straßenrand und neben den Zäunen und funkeln wie fluoreszierende Sterne. Aus der Ferne betrachtet sehen diese silbernen, lebendigen Lichter, die in der dunklen Nacht schweben, aus wie Sterne, die vom Himmel gefallen sind. Eine solch großartige Szene hat nicht nur einen hohen Wertschätzungswert, sondern trägt auch sehr zur Förderung der gemeinsamen Forschung in Biologie und Optik bei. Die Disziplin der Biooptik war geboren. Seit seiner Promotion hat sich He Sicong auf die Entwicklung optischer Mikroskopietechnologie im Bereich der Optik und deren interdisziplinäre Anwendung im biomedizinischen Bereich spezialisiert. Nach seinem Eintritt in die School of Life Sciences und die Abteilung für Biomedizintechnik der Southern University of Science and Technology widmete er sich der Entwicklung neuer Fluoreszenzmikroskopie-Technologien mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung, großer Eindringtiefe und geringer Phototoxizität sowie der Untersuchung dynamischer biologischer Prozesse in lebendem biologischem Gewebe durch Visualisierung. Die Biooptik ist eine aufstrebende Disziplin an der Schnittstelle von Biowissenschaften und Physik. Ihr Hauptforschungsobjekt ist die Wechselwirkung zwischen Materie und Licht in Organismen. Ziel ist die Entwicklung optischer und photonischer Technologien, um das Verständnis von Struktur, Funktion und dynamischen Prozessen in Organismen zu verbessern. Daher ist die Biooptik eine spannende und anspruchsvolle Disziplin. Lebenslanges Lernen lohnt sich, um neues Wissen zu gewinnen, die Innovationskraft interdisziplinärer Studien zu maximieren und optische Technologien zur Erforschung aktueller wissenschaftlicher Probleme im biomedizinischen Bereich zu nutzen. sagte er.

Die Kraft des Herzens, dem Licht zu folgen

Wenn wir über die Anfänge von He Sicongs Beziehung zur Optik sprechen, dürfen wir die Zhejiang-Universität (im Folgenden „Zhejiang-Universität“ genannt) mit ihrer Umgebung und der natürlichen Schönheit des Wassers nicht unerwähnt lassen, die den großartigen akademischen Stil mit dem eleganten Geist des Südens des Jangtse verbindet. Das Jahr 2008 war das Jahr, in dem He Sicong seinen Traum verfolgte und die Aufnahmeprüfung für das College ablegte. Dies fiel auch mit der Zeit zusammen, als die Zhejiang-Universität begann, das Ausbildungsprogramm „allgemeine Zulassung“ vollständig umzusetzen. Erwähnenswert ist, dass dieser Reformansatz der „Allgemeinbildung“ disziplinäre Grenzen durchbricht, die Studierenden zu fächerübergreifendem Lernen anregt und den Studierenden, die sich noch nicht für eine Entwicklungsrichtung entschieden haben, eine Puffermöglichkeit zur „Selbstreflexion“ und zur Klärung ihrer Interessen bietet. Auch He Sicong ist einer der Nutznießer dieses Modells. Da die Spezialisierung auf die Hauptfächer bereits im zweiten Studienjahr begann, konnte er bereits im ersten Jahr den Ozean der „großen Ingenieurwissenschaften“ frei erkunden. Tatsächlich galt seine Aufmerksamkeit jedoch schon immer der optoelektronischen Informationstechnik. „Die Fakultät für Optoelektronik der Zhejiang-Universität ist die Geburtsstätte der optischen Technik in meinem Land, und die Optoelektronik ist eine der einflussreichsten und gewinnbringendsten Disziplinen der Fakultät.“ Seitdem hat He Sicong ein neues Kapitel in seinem Leben aufgeschlagen, das eng mit optoelektronischer Informations- und optischer Bildgebungstechnologie verbunden ist.

▲Gruppenfoto von He Sicong (vierter von links) und seinem Team

Von Zhejiang bis Hongkong, vom Westsee bis zum Victoria Harbour verbrachte He Sicong mehrere Jahre mit Studien und Fachbüchern wie „Geometrische Optik“ und „Physikalische Optik“ in der Hand. Obwohl er bei seiner Ankunft am Institut für Elektronik und Informatik der Hong Kong University of Science and Technology keinerlei Kenntnisse über interdisziplinäre und integrierte Forschung hatte und sein Projekt aufgrund seines fehlenden biologischen Hintergrunds nicht beginnen konnte, versiegt der Fortschritt nie, und irgendwann entspinnt sich daraus ein Fluss. Unter der ernsthaften Lehre und sorgfältigen Anleitung seines Vorgesetzten, Professor Qu Jianan, ließ er keine Gelegenheit aus, Erfahrungen zu sammeln, und erkannte insbesondere die Bedeutung eines häufigen Austauschs mit erfahrenen Biologen. „Als Forscher mit einem optischen Forschungshintergrund muss ich aus meinem gewohnten Denkkreis ausbrechen, die Initiative ergreifen, um die Forschungsprobleme und -bedürfnisse im biologischen Bereich zu verstehen und darüber nachzudenken, wie die Optik darauf angewendet werden kann. Die Labore verschiedener Fachbereiche auf dem Campus der Hong Kong University of Science and Technology befinden sich alle im selben akademischen Gebäude, und Experten aus verschiedenen Bereichen arbeiten unter einem Dach, was unsichtbar sehr günstige Bedingungen für interdisziplinären Austausch und Zusammenarbeit schafft, und ich habe davon profitiert.“ sagte He Sicong.

Auch in der Forschung arbeitet He Sicong unermüdlich. Nach tagelanger Arbeit am Schreibtisch konnte er im Hochsommer endlich die Früchte seiner Arbeit ernten: Zum Abschluss seiner Postdoc-Zeit konnte er zufriedenstellende Ergebnisse für die beiden Forschungsprojekte „Forschung zur hochauflösenden Bildgebungstechnologie von tiefen Geweben lebender Organismen“ und „Forschung zur Fluoreszenzmarkierungs- und -verfolgungs-Bildgebungstechnologie lebender Einzelzellen“ vorlegen. Ersteres plant und arrangiert die wichtigsten Probleme bei der Anwendung der optischen Mikroskopie in biologischem Gewebe und konzentriert sich auf die Lösung von Schwierigkeiten wie beispielsweise unbefriedigenden Abbildungseffekten, die durch Wellenfrontverzerrungen verursacht werden, wenn Licht aufgrund der komplexen Strukturkomponenten in biologischem Gewebe in dieses eindringt. Sie versuchen, optische Aberrationen durch Wellenfrontformung zu korrigieren und unternehmen alle Anstrengungen, um die Bildtiefe und Auflösung zu verbessern. Bei Letzterem steht die Erzielung qualitativer Veränderungen bei der Erkennung zellulärer Heterogenität im Vordergrund.

„Um hochauflösende Fluoreszenzbildgebung in tiefen biologischen Geweben zu erreichen, haben wir die adaptive optische Multiphotonen-Fluoreszenzbildgebungstechnologie (AO-TPEFM) entwickelt“, sagte He Sicong. Der größte Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass sie komplexe biologische Gewebe unter nicht-invasiven oder minimal-invasiven Bedingungen durchdringen und hochauflösende Fluoreszenzbilder von Zellstrukturen erhalten kann. Der Grund dafür liegt darin, dass das Team um He Sicong geschickt die Mehrphotonenfluoreszenz nutzte, um die inhärenten dreidimensionalen optischen Schnittfähigkeiten des Instruments zu stimulieren. Wir haben einen hochempfindlichen Wellenfrontdetektor entwickelt, der Fluoreszenz effizient als Leitsternsignal erfasst. Auf dieser Grundlage haben wir die durch die Probenaberration verursachte Wellenfrontverzerrung berechnet. Der berechnete optische Aberrationswert wird dann sofort an ein hochpräzises deformierbares Spiegelsystem zur Echtzeit-Wellenfrontformung übertragen. Gleichzeitig wird ein geschlossenes Rückkopplungsregelsystem verwendet, um die verbleibende Aberration schnell zu iterieren und zu korrigieren. Diese Technologie ermöglicht eine genaue Messung und schnelle dynamische Korrektur von Aberrationen in lebendem biologischem Gewebe und verbessert so die Auflösung und den Kontrast der Tiefengewebebildgebung. Obwohl die Forschung schon seit einiger Zeit abgeschlossen ist, sind die Einzelheiten noch immer frisch in He Sicongs Erinnerung.

Darüber hinaus ist die Untersuchung der zellulären Heterogenität seit jeher ein wichtiger Aspekt der Biologie und von entscheidender Bedeutung für das vollständige Verständnis der Komplexität der individuellen Entwicklung, Dynamik und Funktion bestimmter Zelltypen. Fortschritte in der Bildgebungstechnologie haben es dem Menschen ermöglicht, Zellaktivitäten und biologische Prozesse in Organismen klar zu beobachten. Zusammen mit der Unterstützung der Einzelzellmarkierungstechnologie, mit der die Aktivitätsmerkmale derselben Zelle und ihrer Nachkommen im Körper über einen langen Zeitraum verfolgt und beobachtet werden können, wurde dadurch zweifellos eine solide Grundlage für die Durchführung heterogener Forschung zum Verhalten/zur Entwicklung/Funktion von Zellen geschaffen.

Als er über „optische Markierungs- und Verfolgungsbildtechnologie für einzelne Zellen“ sprach, erwähnte He Sicong die damit verbundenen Projekte in Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe von Professor Wen Zilong von der Hong Kong University of Science and Technology. Sie haben fortschrittliche optische Mikroskopie-Bildgebungstechnologie, Spektroskopieanalyse und Werkzeuge zur genetischen Modifikation verwendet, um eine neue Art von Infrarot-Laser-Thermoschock-Technologie zur Markierung und Verfolgung einzelner Zellen zu entwickeln – Single-Cell IR-LEGO. Die wichtige Neuerung dieser Technologie besteht darin, dass man mit Infrarotlasern Zellen, die hitzeaktivierte Reportergene tragen, entsprechend erhitzen und sie zur Lichtemission anregen kann. Dadurch wird eine Fluoreszenzmarkierung einzelner Zellen und aller ihrer Nachkommen erreicht, was die anschließende langfristige Verfolgung der Aktivitäten der Zellnachkommen und die Aufzeichnung kontinuierlicher und detaillierter Aktivitätsdaten erleichtert. He Sicong sagte: „Die präzise Fluoreszenzmarkierung einzelner Zellen in Kombination mit hochauflösender mikroskopischer Bildgebungstechnologie ermöglicht es uns, die Verhaltensmerkmale jeder einzelnen Zelle im Körper intuitiv zu verstehen.“

Neue bildgebende Verfahren helfen bei der Erforschung von Krankheiten

Zweifellos hoffen Wissenschaftler, sei es im Bereich der biologischen oder medizinischen Forschung, jederzeit über ein intuitives und klares statisches oder dynamisches Bild zu verfügen, um die Eigenschaften und den Status bestimmter Bereiche von Zellen oder Organismen oder sogar die Expression, Verteilung und andere Informationen bestimmter Moleküle zu analysieren. Heute ist die biooptische Bildgebung aufgrund ihrer ausgereiften Erkennungsinstrumente, ihrer hohen Empfindlichkeit und Auflösung sowie ihrer schnellen Bildgebungsgeschwindigkeit in das öffentliche Bewusstsein gerückt. Sein Aufkommen hatte eine wichtige praktische Bedeutung für die Entwicklung neuer Diagnose- und Behandlungsmethoden für einige „schwierige und komplizierte Krankheiten“ in der Vergangenheit. Angesichts der Tatsache, dass die pathologischen Mechanismen und klinischen Erscheinungsformen von Mensch zu Mensch unterschiedlich sind, besteht in der Biooptik jedoch noch viel Raum für Verbesserungen. Dies ist auch die grundlegende Motivation für He Sicong, sich der Southern University of Science and Technology anzuschließen, um seine Forschung fortzusetzen.

Während meines Aufenthalts in Hongkong habe ich gelernt, dass der Gründungsgeist der Southern University of Science and Technology darin besteht, „Wagemut, Wahrheitssuche und Pragmatismus, Reform und Innovation sowie das Streben nach Exzellenz“ zu entwickeln. Akademiker Zhang Mingjie, Dekan der School of Life Sciences, hofft sehr, „die Stärken verschiedener Disziplinen zu bündeln“, ein unverwechselbares Disziplinensystem aufzubauen und die School of Life Sciences nach einem brandneuen Modell weiterzuentwickeln. Es ist offensichtlich, dass sich die moderne biomedizinische Forschung in Richtung Big Data, Quantifizierung, Multiskaligkeit und Multimodalität bewegt. Daher glaube ich, dass das, was ich in der Vergangenheit gelernt habe, noch immer relativ gut zu den Bedürfnissen der Fakultät passt, und ich stimme der von Akademiker Zhang vorgeschlagenen Entwicklungsrichtung voll und ganz zu.“ Nachdem sich der junge Wissenschaftler gut verstanden hatte, schloss er sich 2020 entschlossen dem Team an. Seine Forschung muss, wie die neue School of Life Sciences, bei Null anfangen, birgt aber auch unendliche Hoffnung.

Ausrüstung kaufen, Talente rekrutieren, Forschung ausbalancieren, Plattformen bauen ... Diese scheinbar trivialen und mühsamen Aufgaben haben He Sicongs Leben in den letzten Jahren in Anspruch genommen, aber die Kraft zum Durchhalten entsteht oft in diesen ruhigen Jahren. Mittlerweile hat He Sicong nach viel Erfahrung und Übung sorgfältigere und klarere Gedanken über die zukünftige Ausrichtung seiner Arbeit entwickelt. Ich bin überzeugt, dass die Entwicklung maßstabsübergreifender, multimodaler hochauflösender Bildgebungstechnologien entscheidend ist, um in der heutigen biomedizinischen Forschung Durchbrüche zu erzielen. Daher ist es das Ziel meines Labors bei SUSTech, hochauflösende, tief eindringende optische Mikroskope zu entwickeln, die vielseitig für die Bildgebung von lebendem Gewebe eingesetzt werden können. Gleichzeitig kombinieren wir Technologien wie künstliche Intelligenz und Bildverarbeitung, um eine mehrdimensionale Analyse der Bilddaten zu ermöglichen. Wir hoffen, Forschern im biomedizinischen Bereich durch die Entwicklung modernster Bildgebungstechnologien und wissenschaftlicher Forschungsgeräte bei der Lösung wichtiger wissenschaftlicher Probleme zu helfen.

Die Zeit schreitet Tag und Nacht voran, verbindet Vergangenheit und Zukunft und hinterlässt Spuren von Einheit und Kampf. Wenn ich auf gestern zurückblicke, ist mir die Szene, als ich allein die Southern University of Science and Technology betrat, noch immer klar; Aus heutiger Sicht reichen die Tage der Zusammenarbeit an wichtigen Themen mit jedem hart arbeitenden und aufmerksamen Partner im Bio-Optical Imaging Laboratory aus, um He Sicong vollkommen glücklich zu machen. „Worauf ich besonders stolz bin, ist dieses interdisziplinäre Forschungsteam mit seinen vielen Talenten aus Physik, Biologie, Elektronik, Informatik und anderen Disziplinen. Wissenschaftliche Forschung kann sich niemals auf die Bemühungen einer einzelnen Person verlassen. Wir heißen auch junge Wissenschaftler mit beruflichem Hintergrund in Optik, Biologie, Instrumentenwissenschaft und anderen Bereichen willkommen, sich unserem Team anzuschließen und gemeinsam mit uns mithilfe optischer Technologien die Geheimnisse des Lebens zu erforschen“, sagte He Sicong.