光子学的多样化未来

在今年年初举行的2025美国西部光电展上，生物光子学热点话题会议联合主席Sergio Fantini表示，本次会议提供了生物医学光子学领域最先进技术的缩影，并重点介绍了最近的重大发展。会议内容包括技术开发、体内和体外应用、微观、介观和宏观尺度的研究以及各种有针对性的生物信息，所有这些都是为了推动生物医学研究和程序。会上，出席的发言人涉及了生物光子学当下的多种技术和应用。

对此，展会Show Daily还请热点话题会议的两位联合主席，即意大利米兰理工大学工程师兼物理学家Paola Taroni和马萨诸塞州塔夫茨大学生物医学工程学教授Sergio Fantini，就每个热点话题发表了评论。

 

意大利米兰理工大学工程师兼物理学家Paola Taroni（左）、马萨诸塞州塔夫茨大学生物医学工程学教授Sergio Fantini（右）

 

实时监测脑血流

监测正常大脑功能和脑部疾病的新技术，是Vivek Srinivasan演讲的重点。纽约大学格罗斯曼医学院眼科和放射学副教授Srinivasan说：在神经重症监护室，医生希望了解并维持病人的最佳脑血流量，但目前还没有实时监测的方法。他在位于纽约大学布鲁克林校区的纽约大学朗贡医院神经重症监护室工作，开发了一种新颖的基于光的脑部监测技术，该技术也可应用于脑部成像。

 

纽约大学格罗斯曼医学院眼科和放射学副教授Vivek Srinivasan

“新方法可以对大脑局部进行监测，也可以提供头部某个部位的放大图像。我们已经在实验室里建立了这项技术，验证结果符合预期。团队希望在未来一两年内将这种方法商业化。目前唯一的原型，用于纽约大学以及宾夕法尼亚大学和加州大学戴维斯分校等合作机构的实验室研究。”

Srinivasan的技术可以利用标准的CMOS阵列探测器，而不是昂贵的单光子系统。他补充说道，西部光子学会议引起了很大一部分观众的兴趣，因为其他一些机构也采用了这种方法来测量脑血流，这是十几场演讲的主题之一。

Taroni谈到Srinivasan的课题时说：多年来，漫反射光学领域为非侵入式研究人脑提供了丰富的工具。干涉检测是这一领域的最新方法发展。这种方法得益于廉价探测器的使用，尤其适合测量与血流有关的信号。

Fantini评论说：漫反射光学方法可以对组织进行深度达数厘米的非侵入式测量。Srinivasan的研究促成了漫反射光学干涉测量方法的发展，这种方法可以大大推进漫反射光学技术的某些关键方面。他的演讲介绍了漫反射光学领域的最新重大进展。

 

利用光子传感器对微生理系统进行连续实时监控

罗切斯特大学医学中心的Ben Miller在演讲中谈到，组织芯片是一种平台，有时也被称为“芯片上的器官”或“微生理系统”，是一种微流体细胞培养装置，旨在模拟人体器官系统的复杂结构和多种细胞类型。由于多种原因，这一领域发展迅速。其中一个重要原因是将组织芯片纳入药物开发过程，以替代动物试验。

 

罗切斯特大学医学中心Ben Miller

 

目前，约有85-90%的候选药物在进入第一阶段人体临床试验时失败。这至少在一定程度上是因为在关键的第一阶段试验之前，所有工作都是在动物身上完成的，而动物的反应往往与人类不同。各国政府已经认识到这些系统的必要性和前景：2022年底，美国国会通过了“FDA现代化法案2.0”，允许FDA考虑用组织芯片的数据来代替动物实验。

Miller谈到：我们所做的独一无二的关键工作是将光子传感器集成到组织芯片中。这样，我们就能在数小时到数天，甚至数周的时间内，持续、实时地监测芯片产生的分子。这在动物身上是做不到的，更不用说在人类身上了。对光子传感器、光谱学、药物开发、组织工程学或显微学感兴趣的人，都会对本讲座产生浓厚兴趣。至于在实验室或工业界的应用，药物开发无疑是这些设备最广为人知的应用，但在基础生物学和个性化医疗方面也有其他可能性。

Taroni对Miller演讲的看法：组织芯片旨在模拟人体生理学，以较低的成本提高动物模型的可重复性。组织芯片通常只对终点进行分析，而不提供导致该终点的过程信息。在芯片中加入光子传感器可以实时监控芯片的演变过程。

Fantini补充说：Miller的研究为组织芯片系统的价值增添了一个新维度，即通过光子生物传感器对目标分析物进行实时和无标记监测。该报告展示了生物光子学技术对生物医学研究的广泛贡献，及其在推动生物医学研究方面的价值。

 

OCT如何追踪视网膜疾病

巴黎视觉研究所研究主任Kate Grieve说，无标记活体成像技术的发展与个性化医疗的进步相辅相成。有机体是在实验室中培育的人体器官的微型版本，用于直接对来自患者自身干细胞的样本进行治疗测试，随着有机体的使用越来越多，需要新的成像工具以非侵入性的方式对这些三维结构进行三维跟踪。

 

巴黎视觉研究所研究主任Kate Grieve

“在标准OCT成像中，图像中的对比度与组织结构的静态散射特性有关，”Grieve解释说，“另一方面，在动态OCT中，我们利用细胞内线粒体等细胞器的微观波动来产生对比度，这种对比度与组织内的动态散射有关。”

“这些动态波动与细胞的新陈代谢有关，因此我们的图像带有一种对比度，可以量化细胞的行为。我们用色标来表示图像，热而明亮的颜色表示细胞活动频繁、快速，冷而暗淡的颜色表示细胞活动微弱、缓慢。我们还可以对样本进行探测并见证其效果，例如用光刺激视网膜样本，或对细胞培养物施加药物，同时记录它们的反应。”

Grieve说：研究实验室正在使用我们的技术对他们的体外样本进行活体跟踪，应用领域包括类器官生长、药物测试和疾病建模。制药业对我们的技术很感兴趣，特别是在细胞和基因治疗开发方面，我们的成像技术可以提供质量控制，检查细胞治疗产品在移植到病人体内之前是否存活和健康。

她补充说：为了让其他人也能使用这项技术，团队中精通光学、生物学和数据科学的成员最近在巴黎视觉研究所的支持下成立了一家名为Lutèce Dynamics的初创公司。在欧洲研究理事会的资助下，我们设计了一个可连接到任何商用显微镜上的模块，以及一个可通过人工智能进行自动数据分析的软件，以提取用于解释的指标。我们希望在2025年推出第一款产品。

Taroni评论说：动态全场光学相干断层扫描，应用于细胞层面的视网膜色素上皮细胞研究。该层在退行性疾病中受到影响，如老年性黄斑变性，它是发达国家致盲的主要原因之一，影响着全球1.7亿人。这项拟议的技术有助于阐明干性黄斑变性晚期的发病机制，并为新的治疗方法开辟道路。

Fantini说：Grieve是用于视网膜成像的OCT和自适应光学技术方面的专家，她将讨论她在高分辨率眼成像方面的研究。特别是，动态全视场OCT是对视网膜组织的细胞和亚细胞特征，进行无标记光学成像的强大工具。

 

利用视觉和机器人技术感知手术区域

手术传感和成像技术将生物光子学概念引入手术室，帮助指导外科医生做出更好的决策，伦敦圣玛丽医院全球健康创新研究所和外科与癌症部哈姆林机器人手术中心的手术成像和生物光子学教授Daniel Elson这样说。在手术室适应更先进的外科技术（如微创手术、机器人技术的使用以及更多数据源的整合）的同时，确保光学方法与这些方法兼容也非常重要。

 

伦敦圣玛丽医院
生物光子学教授Daniel Elson

Elson说：因此，我的实验室正在将光学光谱学方法与成像、计算机视觉和机器人技术结合起来，帮助改善这些设备的工效学和可用性。这包括使用多光谱和偏振分辨成像以及漫射和荧光光谱，来对比健康组织和癌变组织。

Taroni对此评论说，通过视觉和机器人技术对组织和器械的精确跟踪来感知手术区域，对于机器人辅助手术至关重要。因为它能让机器人更好地解读手术场景，确定组织和工具的精确位置和相互作用。为了实现更好的手术跟踪，团队做了大量工作，这反过来又能在许多实际条件下实现更安全、更高效的手术。

Fantini补充说：生物光子学的广泛目标之一是在临床实践中发挥作用，帮助改善人类健康。Elson的演讲展示了光子学技术在外科手术、内窥镜检查和治疗学方面可以发挥的各种作用。

 

照亮直觉

来自日内瓦Wyss生物和神经工程中心的Michalina Gora谈到，消化道是由一个庞大的神经元网络控制，该网络被称为肠道神经系统，由5亿多个神经元组成。神经纤维将生理信号从肠道传递到大脑，从而形成肠道—大脑轴通路。众所周知，这种交流会影响情绪、食欲和记忆。

 

日内瓦Wyss生物和神经工程中心Michalina Gora

Taroni评论说：Gora正在探索肠道与大脑联系的前沿领域，为诊断和治疗脑部疾病提供新方法。Fantini对演讲的评价是，应用光学相干断层扫描技术开发光遗传内窥镜，用于研究肠道与大脑之间的联系，这一令人兴奋的应用当然符合热点话题演讲的要求。这项研究探索了肠道微生物群与肠道微生物群与大脑之间的密切联系，这说明大脑功能与肠道健康之间存在重要联系。这项研究对于促进我们对神经退行性疾病的了解，具有重要意义。

 

哈佛大学医学院皮肤病学副教授Seemantini Nadkarni

 

利用斑点技术研究组织机械病理学

Seemantini Nadkarni是哈佛大学医学院皮肤病学副教授，她的实验室设在麻省总医院威尔曼光医学中心。她的演讲探讨了如何利用光学技术表征组织的机械特性，从而深入了解组织的病理变化。Fantini评论说：Nadkarni介绍了一种基于宽带斑点光谱的新型光学技术，用于测量组织的动态粘弹性行为，以描述其与细胞内过程相关的微结构层面的机械特性。微结构水平相关的机械特性。这一贡献是生物光子学技术的又一例证，这些技术提高了研究能力，并具有诊断和预后各种疾病的潜力。

Taroni对Nadkarni演讲的看法是，机械因素是疾病发病的关键因素。在千赫兹和兆赫兹之间有一个重要的频率范围，整个组织的机械行为在很大程度上仍不为人所知。最近发表在《科学进展》上的这一技术就在这一频率范围内工作，并有可能揭示以前未发现的微机械对比源，从而改善疾病预后。

 

蒙特利尔理工大学工程物理系教授Frédéric Leblond

 

从唾液到手术：病毒和癌症诊断学

Frédéric Leblond是蒙特利尔理工大学工程物理系的全职教授，他是LumedLab实验室的负责人。他主要从事生物光子学（包括漫反射光断层扫描）、新手术方法设计、医学成像增强和研究光在生物组织中的传播。Leblond教授的主要工作是完善功能强大的光学针刺活检仪器。依靠间隙光学断层扫描技术的原型，可以在手术过程中通过检测血管为外科医生提供指导。其主要目标是提高脑肿瘤检查的安全性和有效性。医生收集到的样本越多，对肿瘤的了解就越透彻，治疗成功的几率就越大。

Fantini对Leblond演讲的看法是，每年的热点话题会议都包括一个《生物医学光学杂志》讲座”，由前两年杂志上被引用次数最多的原创科学文章的资深作者主讲。演讲者由《生物医学光学杂志》主编Brian Pogue提名。今年的演讲由Frédéric Leblond主讲，他将报告自己开发用于实时区分癌细胞和健康细胞的拉曼光谱探针的工作，以及用于分析拉曼光谱数据的开源软件包。

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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