在今年年初舉行的2025美國西部光電展上，生物光子學(xué)熱點話題會議聯(lián)合主席Sergio Fantini表示，本次會議提供了生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)領(lǐng)域最先進(jìn)技術(shù)的縮影，并重點介紹了最近的重大發(fā)展。會議內(nèi)容包括技術(shù)開發(fā)、體內(nèi)和體外應(yīng)用、微觀、介觀和宏觀尺度的研究以及各種有針對性的生物信息，所有這些都是為了推動生物醫(yī)學(xué)研究和程序。會上，出席的發(fā)言人涉及了生物光子學(xué)當(dāng)下的多種技術(shù)和應(yīng)用。

對此，展會Show Daily還請熱點話題會議的兩位聯(lián)合主席，即意大利米蘭理工大學(xué)工程師兼物理學(xué)家Paola Taroni和馬薩諸塞州塔夫茨大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)教授Sergio Fantini，就每個熱點話題發(fā)表了評論。

意大利米蘭理工大學(xué)工程師兼物理學(xué)家Paola Taroni（左）、馬薩諸塞州塔夫茨大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)教授Sergio Fantini（右）

實時監(jiān)測腦血流

監(jiān)測正常大腦功能和腦部疾病的新技術(shù)，是Vivek Srinivasan演講的重點。紐約大學(xué)格羅斯曼醫(yī)學(xué)院眼科和放射學(xué)副教授Srinivasan說：在神經(jīng)重癥監(jiān)護(hù)室，醫(yī)生希望了解并維持病人的最佳腦血流量，但目前還沒有實時監(jiān)測的方法。他在位于紐約大學(xué)布魯克林校區(qū)的紐約大學(xué)朗貢醫(yī)院神經(jīng)重癥監(jiān)護(hù)室工作，開發(fā)了一種新穎的基于光的腦部監(jiān)測技術(shù)，該技術(shù)也可應(yīng)用于腦部成像。

紐約大學(xué)格羅斯曼醫(yī)學(xué)院眼科和放射學(xué)副教授Vivek Srinivasan

“新方法可以對大腦局部進(jìn)行監(jiān)測，也可以提供頭部某個部位的放大圖像。我們已經(jīng)在實驗室里建立了這項技術(shù)，驗證結(jié)果符合預(yù)期。團(tuán)隊希望在未來一兩年內(nèi)將這種方法商業(yè)化。目前唯一的原型，用于紐約大學(xué)以及賓夕法尼亞大學(xué)和加州大學(xué)戴維斯分校等合作機(jī)構(gòu)的實驗室研究。”

Srinivasan的技術(shù)可以利用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS陣列探測器，而不是昂貴的單光子系統(tǒng)。他補(bǔ)充說道，西部光子學(xué)會議引起了很大一部分觀眾的興趣，因為其他一些機(jī)構(gòu)也采用了這種方法來測量腦血流，這是十幾場演講的主題之一。

Taroni談到Srinivasan的課題時說：多年來，漫反射光學(xué)領(lǐng)域為非侵入式研究人腦提供了豐富的工具。干涉檢測是這一領(lǐng)域的最新方法發(fā)展。這種方法得益于廉價探測器的使用，尤其適合測量與血流有關(guān)的信號。

Fantini評論說：漫反射光學(xué)方法可以對組織進(jìn)行深度達(dá)數(shù)厘米的非侵入式測量。Srinivasan的研究促成了漫反射光學(xué)干涉測量方法的發(fā)展，這種方法可以大大推進(jìn)漫反射光學(xué)技術(shù)的某些關(guān)鍵方面。他的演講介紹了漫反射光學(xué)領(lǐng)域的最新重大進(jìn)展。

利用光子傳感器對微生理系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)實時監(jiān)控

羅切斯特大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的Ben Miller在演講中談到，組織芯片是一種平臺，有時也被稱為“芯片上的器官”或“微生理系統(tǒng)”，是一種微流體細(xì)胞培養(yǎng)裝置，旨在模擬人體器官系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和多種細(xì)胞類型。由于多種原因，這一領(lǐng)域發(fā)展迅速。其中一個重要原因是將組織芯片納入藥物開發(fā)過程，以替代動物試驗。

羅切斯特大學(xué)醫(yī)學(xué)中心Ben Miller

目前，約有85-90%的候選藥物在進(jìn)入第一階段人體臨床試驗時失敗。這至少在一定程度上是因為在關(guān)鍵的第一階段試驗之前，所有工作都是在動物身上完成的，而動物的反應(yīng)往往與人類不同。各國政府已經(jīng)認(rèn)識到這些系統(tǒng)的必要性和前景：2022年底，美國國會通過了“FDA現(xiàn)代化法案2.0”，允許FDA考慮用組織芯片的數(shù)據(jù)來代替動物實驗。

Miller談到：我們所做的獨一無二的關(guān)鍵工作是將光子傳感器集成到組織芯片中。這樣，我們就能在數(shù)小時到數(shù)天，甚至數(shù)周的時間內(nèi)，持續(xù)、實時地監(jiān)測芯片產(chǎn)生的分子。這在動物身上是做不到的，更不用說在人類身上了。對光子傳感器、光譜學(xué)、藥物開發(fā)、組織工程學(xué)或顯微學(xué)感興趣的人，都會對本講座產(chǎn)生濃厚興趣。至于在實驗室或工業(yè)界的應(yīng)用，藥物開發(fā)無疑是這些設(shè)備最廣為人知的應(yīng)用，但在基礎(chǔ)生物學(xué)和個性化醫(yī)療方面也有其他可能性。

Taroni對Miller演講的看法：組織芯片旨在模擬人體生理學(xué)，以較低的成本提高動物模型的可重復(fù)性。組織芯片通常只對終點進(jìn)行分析，而不提供導(dǎo)致該終點的過程信息。在芯片中加入光子傳感器可以實時監(jiān)控芯片的演變過程。

Fantini補(bǔ)充說：Miller的研究為組織芯片系統(tǒng)的價值增添了一個新維度，即通過光子生物傳感器對目標(biāo)分析物進(jìn)行實時和無標(biāo)記監(jiān)測。該報告展示了生物光子學(xué)技術(shù)對生物醫(yī)學(xué)研究的廣泛貢獻(xiàn)，及其在推動生物醫(yī)學(xué)研究方面的價值。

OCT如何追蹤視網(wǎng)膜疾病

巴黎視覺研究所研究主任Kate Grieve說，無標(biāo)記活體成像技術(shù)的發(fā)展與個性化醫(yī)療的進(jìn)步相輔相成。有機(jī)體是在實驗室中培育的人體器官的微型版本，用于直接對來自患者自身干細(xì)胞的樣本進(jìn)行治療測試，隨著有機(jī)體的使用越來越多，需要新的成像工具以非侵入性的方式對這些三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維跟蹤。

巴黎視覺研究所研究主任Kate Grieve

“在標(biāo)準(zhǔn)OCT成像中，圖像中的對比度與組織結(jié)構(gòu)的靜態(tài)散射特性有關(guān)，”Grieve解釋說，“另一方面，在動態(tài)OCT中，我們利用細(xì)胞內(nèi)線粒體等細(xì)胞器的微觀波動來產(chǎn)生對比度，這種對比度與組織內(nèi)的動態(tài)散射有關(guān)。”

“這些動態(tài)波動與細(xì)胞的新陳代謝有關(guān)，因此我們的圖像帶有一種對比度，可以量化細(xì)胞的行為。我們用色標(biāo)來表示圖像，熱而明亮的顏色表示細(xì)胞活動頻繁、快速，冷而暗淡的顏色表示細(xì)胞活動微弱、緩慢。我們還可以對樣本進(jìn)行探測并見證其效果，例如用光刺激視網(wǎng)膜樣本，或?qū)?xì)胞培養(yǎng)物施加藥物，同時記錄它們的反應(yīng)。”

Grieve說：研究實驗室正在使用我們的技術(shù)對他們的體外樣本進(jìn)行活體跟蹤，應(yīng)用領(lǐng)域包括類器官生長、藥物測試和疾病建模。制藥業(yè)對我們的技術(shù)很感興趣，特別是在細(xì)胞和基因治療開發(fā)方面，我們的成像技術(shù)可以提供質(zhì)量控制，檢查細(xì)胞治療產(chǎn)品在移植到病人體內(nèi)之前是否存活和健康。

她補(bǔ)充說：為了讓其他人也能使用這項技術(shù)，團(tuán)隊中精通光學(xué)、生物學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)的成員最近在巴黎視覺研究所的支持下成立了一家名為Lutèce Dynamics的初創(chuàng)公司。在歐洲研究理事會的資助下，我們設(shè)計了一個可連接到任何商用顯微鏡上的模塊，以及一個可通過人工智能進(jìn)行自動數(shù)據(jù)分析的軟件，以提取用于解釋的指標(biāo)。我們希望在2025年推出第一款產(chǎn)品。

Taroni評論說：動態(tài)全場光學(xué)相干斷層掃描，應(yīng)用于細(xì)胞層面的視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞研究。該層在退行性疾病中受到影響，如老年性黃斑變性，它是發(fā)達(dá)國家致盲的主要原因之一，影響著全球1.7億人。這項擬議的技術(shù)有助于闡明干性黃斑變性晚期的發(fā)病機(jī)制，并為新的治療方法開辟道路。

Fantini說：Grieve是用于視網(wǎng)膜成像的OCT和自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)方面的專家，她將討論她在高分辨率眼成像方面的研究。特別是，動態(tài)全視場OCT是對視網(wǎng)膜組織的細(xì)胞和亞細(xì)胞特征，進(jìn)行無標(biāo)記光學(xué)成像的強(qiáng)大工具。

利用視覺和機(jī)器人技術(shù)感知手術(shù)區(qū)域

手術(shù)傳感和成像技術(shù)將生物光子學(xué)概念引入手術(shù)室，幫助指導(dǎo)外科醫(yī)生做出更好的決策，倫敦圣瑪麗醫(yī)院全球健康創(chuàng)新研究所和外科與癌癥部哈姆林機(jī)器人手術(shù)中心的手術(shù)成像和生物光子學(xué)教授Daniel Elson這樣說。在手術(shù)室適應(yīng)更先進(jìn)的外科技術(shù)（如微創(chuàng)手術(shù)、機(jī)器人技術(shù)的使用以及更多數(shù)據(jù)源的整合）的同時，確保光學(xué)方法與這些方法兼容也非常重要。

倫敦圣瑪麗醫(yī)院
生物光子學(xué)教授Daniel Elson

Elson說：因此，我的實驗室正在將光學(xué)光譜學(xué)方法與成像、計算機(jī)視覺和機(jī)器人技術(shù)結(jié)合起來，幫助改善這些設(shè)備的工效學(xué)和可用性。這包括使用多光譜和偏振分辨成像以及漫射和熒光光譜，來對比健康組織和癌變組織。

Taroni對此評論說，通過視覺和機(jī)器人技術(shù)對組織和器械的精確跟蹤來感知手術(shù)區(qū)域，對于機(jī)器人輔助手術(shù)至關(guān)重要。因為它能讓機(jī)器人更好地解讀手術(shù)場景，確定組織和工具的精確位置和相互作用。為了實現(xiàn)更好的手術(shù)跟蹤，團(tuán)隊做了大量工作，這反過來又能在許多實際條件下實現(xiàn)更安全、更高效的手術(shù)。

Fantini補(bǔ)充說：生物光子學(xué)的廣泛目標(biāo)之一是在臨床實踐中發(fā)揮作用，幫助改善人類健康。Elson的演講展示了光子學(xué)技術(shù)在外科手術(shù)、內(nèi)窺鏡檢查和治療學(xué)方面可以發(fā)揮的各種作用。

照亮直覺

來自日內(nèi)瓦Wyss生物和神經(jīng)工程中心的Michalina Gora談到，消化道是由一個龐大的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制，該網(wǎng)絡(luò)被稱為腸道神經(jīng)系統(tǒng)，由5億多個神經(jīng)元組成。神經(jīng)纖維將生理信號從腸道傳遞到大腦，從而形成腸道—大腦軸通路。眾所周知，這種交流會影響情緒、食欲和記憶。

日內(nèi)瓦Wyss生物和神經(jīng)工程中心Michalina Gora

Taroni評論說：Gora正在探索腸道與大腦聯(lián)系的前沿領(lǐng)域，為診斷和治療腦部疾病提供新方法。Fantini對演講的評價是，應(yīng)用光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)開發(fā)光遺傳內(nèi)窺鏡，用于研究腸道與大腦之間的聯(lián)系，這一令人興奮的應(yīng)用當(dāng)然符合熱點話題演講的要求。這項研究探索了腸道微生物群與腸道微生物群與大腦之間的密切聯(lián)系，這說明大腦功能與腸道健康之間存在重要聯(lián)系。這項研究對于促進(jìn)我們對神經(jīng)退行性疾病的了解，具有重要意義。

哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院皮膚病學(xué)副教授Seemantini Nadkarni

利用斑點技術(shù)研究組織機(jī)械病理學(xué)

Seemantini Nadkarni是哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院皮膚病學(xué)副教授，她的實驗室設(shè)在麻省總醫(yī)院威爾曼光醫(yī)學(xué)中心。她的演講探討了如何利用光學(xué)技術(shù)表征組織的機(jī)械特性，從而深入了解組織的病理變化。Fantini評論說：Nadkarni介紹了一種基于寬帶斑點光譜的新型光學(xué)技術(shù)，用于測量組織的動態(tài)粘彈性行為，以描述其與細(xì)胞內(nèi)過程相關(guān)的微結(jié)構(gòu)層面的機(jī)械特性。微結(jié)構(gòu)水平相關(guān)的機(jī)械特性。這一貢獻(xiàn)是生物光子學(xué)技術(shù)的又一例證，這些技術(shù)提高了研究能力，并具有診斷和預(yù)后各種疾病的潛力。

Taroni對Nadkarni演講的看法是，機(jī)械因素是疾病發(fā)病的關(guān)鍵因素。在千赫茲和兆赫茲之間有一個重要的頻率范圍，整個組織的機(jī)械行為在很大程度上仍不為人所知。最近發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的這一技術(shù)就在這一頻率范圍內(nèi)工作，并有可能揭示以前未發(fā)現(xiàn)的微機(jī)械對比源，從而改善疾病預(yù)后。

蒙特利爾理工大學(xué)工程物理系教授Frédéric Leblond

從唾液到手術(shù)：病毒和癌癥診斷學(xué)

Frédéric Leblond是蒙特利爾理工大學(xué)工程物理系的全職教授，他是LumedLab實驗室的負(fù)責(zé)人。他主要從事生物光子學(xué)（包括漫反射光斷層掃描）、新手術(shù)方法設(shè)計、醫(yī)學(xué)成像增強(qiáng)和研究光在生物組織中的傳播。Leblond教授的主要工作是完善功能強(qiáng)大的光學(xué)針刺活檢儀器。依靠間隙光學(xué)斷層掃描技術(shù)的原型，可以在手術(shù)過程中通過檢測血管為外科醫(yī)生提供指導(dǎo)。其主要目標(biāo)是提高腦腫瘤檢查的安全性和有效性。醫(yī)生收集到的樣本越多，對腫瘤的了解就越透徹，治療成功的幾率就越大。

Fantini對Leblond演講的看法是，每年的熱點話題會議都包括一個《生物醫(yī)學(xué)光學(xué)雜志》講座”，由前兩年雜志上被引用次數(shù)最多的原創(chuàng)科學(xué)文章的資深作者主講。演講者由《生物醫(yī)學(xué)光學(xué)雜志》主編Brian Pogue提名。今年的演講由Frédéric Leblond主講，他將報告自己開發(fā)用于實時區(qū)分癌細(xì)胞和健康細(xì)胞的拉曼光譜探針的工作，以及用于分析拉曼光譜數(shù)據(jù)的開源軟件包。

來源：榮格-《國際工業(yè)激光商情》

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