郭敏 | 探秘活体生物成像 聚焦人类生命健康

细胞是一切生命活动的基本结构和功能单位，一切生命现象的奥秘都要从细胞中寻求解答。近些年来，对活体状态下的生命活动进行细胞、亚细胞水平的观察与探测已经成为生命科学、医学研究及药物开发等领域的重要研究手段之一。为了能够更好地观察到细胞中分子水平的生命现象，浙江大学光电科学与工程学院研究员郭敏就投身到这一领域，进行了长达十多年的深耕探索。

▲郭敏

俗话说：“工欲善其事，必先利其器。”在郭敏看来，光学显微成像技术便是人们探索生命奥秘的得力武器。经年累月在科研领域不懈开拓，他从显微成像机理出发，提出新的理论和方法，通过新型硬件和算法设计，不断打造更为先进的“尖兵利器”，实现更为精准的细胞超微结构观察及生命机理阐释，取得了一系列系统而连贯的创新成果，在国际生命科学领域留下了一名中国科研工作者的创新足迹。

科研筑梦——缘分使然的光学之旅

“我个人觉得我跟光学这一领域还是比较有缘分的。”郭敏说。自中学时代起，他就拥有一个“逐梦光学”的理想。以梦为马，郭敏勤奋学习，最终于2007年以优异的成绩考入长春理工大学光电工程学院测控技术与仪器专业，在这里踏上了自己追光的旅程。

长春理工大学原名长春光学精密机械学院，1958年由中国科学院创办，是新中国第一所培养光学专科人才的高等院校。大学二年级时，学校为了集中优势培养相关光学人才，成立了“王大珩科技创新实验班”，郭敏有幸被选入其中。而正是在这段时间，郭敏打开了光学应用的大门。在导师的引领下，他开始将光学知识与生物医学领域相结合，并坚定了在这一领域施展科研抱负的决心。

科研探索永无止境。为了学习更多相关领域的先进科研知识，本科毕业后，郭敏顺利进入浙江大学光电科学与工程学院，进行测试计量技术及仪器专业的硕博连读。在这一阶段，郭敏将研究与生物医学领域结合得更为紧密，在肿瘤的伽马光子成像中进行了一系列算法探索。这期间，他还得到前往美国国立卫生研究院生物医学影像与生物工程所进行交流访问的机会。在那里，他接触到了光片显微成像及图像分析技术，和研究团队成员共同搭建了首台高数值孔径的双视角非对称光片显微系统，研制了荧光偏振成像的新型光片显微系统，提出了线虫胚胎图像的数字化拉直理论和算法，为今后进行成像系统的开发积累了丰富的经验。

学也无涯而知也无涯。博士期间，郭敏在美国国立卫生研究院生物医学影像与生物工程所做的研究工作，受到了导师的极大青睐。为了让自己的研究工作更有延续性，他决心再次前往那里从事博士后研究。在这一阶段，他并没有松懈对自己的要求，专心致力于高超分辨荧光显微成像和显微图像快速处理技术的前沿探索，研制了首台结构光照明全内反射瞬时超分辨显微镜，能够对活体生物样品进行实时超分辨、高对比度成像，在光学成像于生物医学领域的应用中，取得了一系列成果。在多年的海内外科研锤炼中，郭敏的科研水平有了大幅度提升。

科研开拓——扎根活体生物样品成像研究

人体是一个鲜活的生命体。与传统的研究方法相比，活体成像可以非侵入式、直观地观测活体体内肿瘤的生长、转移、疾病的发展过程、基因的表达变化等生物学过程，对于后续疾病的治疗起着关键作用。在美国国立卫生研究院生物医学影像与生物工程所工作期间，郭敏就对这一领域的问题极为关注。如何将光学成像与活体生物样品成像相结合？对此他开展了一系列探索。

郭敏注意到：近些年来，随着物理学、材料化学、电子科学、计算机等学科的发展，荧光显微技术也有了日新月异的发展，在活体细胞的胞膜代谢活动研究中展现了良好的应用前景。然而，其成像的分辨率依然受到衍射极限的限制，难以解析更加精细的生物结构；而且，成像的速度也难以追踪到高度动态的生命活动信息。如果通过相关技术提升荧光显微镜的成像技术，是否就能够将其更好地作用于活体生物样品成像呢？

为了攻克这一问题，郭敏作为主要完成人开始了漫漫科研攻关之路。功夫不负有心人，他和研究团队最终成功研发了结构光照明的全内反射瞬时超分辨成像技术，能够在不损伤活体样品的情况下，以100Hz的超速度进行实时超分辨、高对比度成像，是当时同类显微镜速度的约50倍，大大提升了生物医学成像效率，为进一步进行生命科学研究打下了坚实的基础。

生物医学成像技术一直在不断发展中，而郭敏所做的研究工作始终紧跟研究领域前沿。

近些年来，偏振成像技术作为一种新型的光学成像技术，可以实现抑制背景噪声、提高探测距离、获取目标细节特征和识别伪装目标等功能。通过对荧光的偏振进行检测和成像，科学家可以获取靶向蛋白的结构取向和荧光能量共振转移等生命活动相关信息。然而当前的偏振成像技术却很少应用在活体样品的三维成像上。

为了拓宽偏振成像技术的应用领域，郭敏和研究团队共同研发出了七维成像技术（三维空间+三维取向+时间），首次实现了细胞和组织在高维复合空间的结构和取向的重构，并将其应用于对动、植物细胞和组织的高时空分辨率成像。随着这一研究成果的问世，未来科学家可以利用相关技术，观测到更加深层次的生命信息，并将其造福于相关疾病的治疗。

科学研究是一场耐力赛。每一项科研工作，都由无数的节点组成，只要其中的一个环节没有做好，很可能就会影响最终的结果。在郭敏的科研之路上，他也遇到过无数个难以攻克的科研节点，但在这一过程中，他却从未想过放弃。多年来，他正是靠着这种持之以恒、攻坚克难的精神，在研究领域取得了一系列成绩——所研发的新型显微镜和图像处理技术在短时间内就已被超过20家科研机构/实验室采用，作为主要成像或图像处理手段用于生物医学研究，进一步产生的相关成果发表在《自然》《科学》等期刊上，并获得2020年度显微技术创新奖等荣誉。

不忘初心——将研究落地生根

在海外多年，郭敏在生物医学成像领域所做的研究工作受到了领域内学者的极大认可，这些成绩也让他在国内外学界同仁中逐渐崭露头角。但走得再远，他也未曾忘记为什么出发。在郭敏的心底里，科研报国的信念始终如一。2022年9月，暌违祖国多年的他最终回到了故土，到浙江大学光电科学与工程学院继续自己的科研逐梦旅程。在他看来，现如今我国生物医学成像领域的研究土壤愈加肥沃，在这里他可以继续开拓创新，用自己所学造福于祖国的生物医学事业。

回国后，郭敏的科研工作一直在有序的开展中。在积极组建科研团队的同时，他也基于自己之前在生物医学成像领域的研究基础，对研究方向进行了相应的拓展。这一次，他将研究的关注点放在了大脑的神经科学与脑科学研究上。

郭敏介绍说，在人类的大脑中，有约860亿个神经元，在大脑里面通过神经突触的连接形成神经环路，执行各种神经功能。但是大脑到底是如何从最初的单个细胞分化并形成系统性的神经结构和功能网络的，仍然是科学界的未解之谜。而先进的观测工具，或者说成像技术，也成为解开这一谜团的核心需求。

在这一背景下，针对光学成像领域在像差、速度、光损伤方面所面临的挑战和不足，郭敏将和团队成员共同开发适于胚胎等活体大生物样品的高分辨率显微成像的方法和技术，为神经结构的建立和功能形成的研究，探索快速、大尺度、低损伤的成像解决方案，为观察小动物胚胎和神经发育提供更加坚实的科学支撑。

科研之路任重而道远，郭敏深知自己未来需要做的还有很多。“今后我的研究工作将要从两方面展开。在技术层面，我希望团队能够通过研究提高医学成像的观测精度和维度；在应用层面，我希望能够结合浙江大学医学院及生命科学院的需求，将我们开发的生物医学成像仪器进行转化，使研究真正落地生根。”谈起未来的规划，郭敏信心满满。