专访飞秒科技丨高清无损「活体」成像技术落地国内

科学家们相信，在化学反应和生物代谢过程构中普遍蕴含着“见微知著”这一规律。即通过观察来自原子、小分子、生物大分子直至细胞的微小变化，即可获知甚至预测宏观物质、视觉现象乃至生命演化的发展历程及其内在规律。然而，由于前述化学反应所涉及的时间极为短暂，现有的常规手段很难精确地捕捉到最为基础的分子和原子的具体运动及变化状况。类似的情形如若高速摄像机未能提供现成的“慢动作”放映功能之时，观众和裁判难以搞清楚一场角逐激烈的球赛中究竟发生了什么具体事件。化学家们在对化学反应过程的研究中也面临着同样的困境，长期以来一直存在着对能够更加详细、准确地追踪化学反应的全新实用技术手段的需求，极大地促进了相关技术的进展。

1999 年的诺贝尔化学奖得主 Ahmed H. Zewail 教授凭借飞秒光谱学，为化学和相关科学领域带来了一场新的革命。Zewail 的激光闪光照相技术能够以几十万亿分之一秒的速度“闪光”，从而实现反应过程中原子和分子的“慢动作”成像，清晰而准确的再现完整反应过程。这一开创性研究凭借对飞秒激光与反应过程中处于不同状态的原子及分子所产生的特征性光谱的高效识别能力，有效的追溯了不同反应时间节点时各相关原子及分子的具体实时状况，从根本上改变了人们对于化学反应过程的认识，在此之后，飞秒化学（femtochemistry）正式走进了公众视野。

▲图丨使用超快激光“拍摄”化学反应的飞秒化学（来源：EIROforum）

经历二十余年的发展，在飞秒化学研究中得以发展和进步的光谱探测和分析技术被广泛应用于飞秒激光脉冲与生物分子之间相互作用的探索与研究。利用多种超短脉冲特有的多光子荧光、谐波等非线性过程，基于飞秒激光的成像技术在活体组织和细胞成像、疾病诊断等诸多前沿研究领域取得了大量突破性进展。此类技术依托于具有极短时域宽度和极高峰值功率的飞秒脉冲与生物大分子及细胞结构之间单纯的物理作用，具备高效率、无损伤、无需切片，可三维成像等多项优势，“这些基于飞秒激光脉冲的非线性光学手段于生物成像领域的实际应用日趋成熟，其将为相关医疗研究和精准医疗（诊断与疗效预测）领域提供有力凭据。”出自于 Zewail 教授门下、来自广州飞秒激光研究中心（以下简称“飞秒科技”）的徐炳蔚博士对此介绍道。

▲图 | 徐炳蔚博士（来源：受访者提供）

徐炳蔚博士于 1999 年获北京大学化学与分子工程学院学士学位，后于美国密歇根州立大学获博士学位，专注于飞秒激光脉冲控制方向的研究。2017 年其归国后在广州市高新区创立了飞秒科技，成功实现了飞秒激光无标记影像（FLI）技术的落地和产业化。

来自诺奖师门的技术传承，引发新式影像革命

众所周知，化学反应过程耗时极短，最为常规的热化学反应仅在毫秒之内即可完成，而与之相比，电子转移或质子转移初期所形成过渡态的观测时间窗口就更为短暂。为了有效获知反应的确切信息，飞秒化学技术应运而生。

飞秒化学（femtochemistry）关注于飞秒（fs，1 fs=10-15 s）时间尺度内的旧化学键断裂以及新化学键形成的分子运动过程。该技术基于超短波长激光，可以亚埃的分辨率记录化学反应的快照，从而实现对于化学键的断裂和生成之间过渡态的实时观察，这对于理解化学键的内在动力学规律至关重要。

1999 年，徐炳蔚在北京大学化学与分子工程学院完成了本科阶段的学习。后于 2003 年赴美，其博士期间拜于 Ahmed H. Zewail 教授当年的重要助手、嫡传弟子密歇根州立大学化学和物理学教授 Marcos Dantus 门下，全心专注于飞秒激光脉冲控制方向的研究。

飞秒激光是指脉冲持续时间在数个到数百飞秒的激光，其具有超快、超强峰值功率和超宽频谱的特点。“可以想象，将能量集中在飞秒量级的超短时间之内，其一方面将产生极高的瞬时峰值功率，另一方面，在能量高度聚焦的情况下，激光与待测物质相互作用后能够形成特征光谱。这些特点使得飞秒激光成为了在高精度条件下研究生物微观过程的有效手段。”徐炳蔚如是讲解道。

徐炳蔚的导师 Dantus 教授曾在 Zewail 课题组实验室中主导了第一代飞秒化学激光系统的设计和建造工作。在他的带领下，徐炳蔚在研究道路上获得了快速进展，其在博士学习期间主导的首个科研项目即产生了数项专利成果，并且已成功实现了落地转化。

于是，在攻读博士学位的过程中，徐炳蔚就作为联合创始人与 Dantus 教授共同创立了飞秒领域科研设备公司 Biophotonic Solutions Inc.（BSI），并成功将飞秒激光测量和压缩产品实现落地转化并推向市场。2016 年，该公司被全球最大光纤激光器制造商 IPG Photonics 并购。

“非常幸运的是，先前正确的选择了飞秒激光脉冲的精准控制作为研究的起步方向，这将为我们进一步拓宽其应用领域打下了基础。”2017 年，徐炳蔚归国创业，在广州创立了飞秒科技。

样本“无损”、一键操作的细胞成像技术即将走向临床验证

随着医疗设备领域技术的不断发展，自上世纪以来，诸如 CT、MR 以及超声成像等各种医学影像技术被广泛应用于各领域疾病的研究及诊断。同时在组织学诊断领域，H&E 染色，免疫组化，免疫荧光，荧光原位杂交等技术也层出不穷。然而这些传统医学影像普遍图像分辨率较低、图像提供的信息有限，而传统病理诊断技术样本制备过程复杂繁琐，耗时耗力，已无法满足日益增长的快速精准的个体化诊断需求。

对此，徐炳蔚考虑到，“由于飞秒激光在特定条件下可与组织细胞内的特定分子和结构发生物理作用从而产生非线性光学信号，基于此类过程的成像技术可以‘无损’的方式对组织细胞实现多维度、高精准度的原位成像。在此基础上结合深度学习算法，将有望开辟出一条创新型的、真实再现组织细胞信息的无标记诊断之路。”

经过近 5 年的发展，徐炳蔚在广州建立起一支强大的研究团队，并完成了飞秒激光无标记影像（FLI，Femtosecond Label-free Imaging）系统的软硬件开发，在其基础上搭建出了组织病理影像学技术平台。截至目前，FLI 技术的核心系统专利已在中、美、欧多地取得专利授权，并推出了完全自主知识产权、生产制造过程全部自主可控的商业化设备。

据悉，飞秒科技推出的飞秒激光无标记显微影像系统（FLI）可采集 5 种以上不同模态的相关信息：即通过同时采集双光子自发荧光、二次谐波、三光子自发荧光、三次谐波等多种光学通道的独立信号，从而实现对于人体组织细胞的结构形态及多种关键生物标志分子的多维度影像分析。这将有助于更准确地识别各种组织细胞的三维结构信息，甚至实现其重要功能信息的表征。

从实际应用角度，该技术无需各种繁琐的前处理过程即能够于“无损”前提下实现目标样本的直接、连续检测，从而避免关键的原始信息改变或丢失。现实操作过程中，只需将临床获取的活体组织样本直接放入样品匣中，即可实现一键操作成像。

于此同时，飞秒科技进一步将 FLI 技术与 AI算法 深度结合，从而能够快速、准确地满足来自细胞分析、胚胎优选、病理诊断等研究领域的不同需求。例如，FLI 图像能够清晰展示出不同患者的肿瘤边缘胶原纤维排列结构的细微差异，通过对受其显著影响的免疫细胞浸润情况的观察即可预测免疫治疗效果，从而实现对于肿瘤患者的精确分层。与之相对，这些动态而精确的组织细胞特征在传统组织病理学检测中很难获得。

▲图丨纤维结构影响免疫细胞浸润，进而影响疗效（来源：飞秒科技）

“通过对活体组织和细胞进行连续、无干扰的检测，FLI 技术能够真正推动对于癌症等疾病机理的进一步理解。”据徐炳蔚介绍，当前飞秒科技已经与国内 20 余家肿瘤医院就细胞分析、类器官筛选、癌症诊断及预后评估，以及药物疗效预测等多个领域开展广泛的研究合作，并已启动相关临床设备的医疗器械注册申请。据悉，公司的首款临床产品有望在两年内获批上市。

除此之外，近年以来，以试管婴儿（IVF）为代表的辅助生殖市场规模迅速增长，在商业、社会层面具有重大价值。但值得注意的是，接受胚胎移植的客户群体往往面临着胚胎质量不高、活产率不足的困境。由于目前尚缺乏有效的胚胎质量监测和评价手段，使得广大经历胚胎移植的女性承受了巨大的精神及经济压力。

（来源：飞秒科技）

“ FLI 技术具有可对活体细胞进行‘无损’成像的优势，能够在胚胎移植前对胚胎细胞的形态和活性进行连续、动态的观测，并通过三维图像实现胚胎优选，从而提升妊娠率和活产率。”徐炳蔚认为，现阶段的 IVF 胚胎优选具有巨大的社会需求和价值，且现有痛点显著，因此其将成为飞秒活细胞无损成像的下一个应用切入口。

“在我看来，当前的细胞成像赛道非常广阔。作为平台型技术，FLI 技术将充分具备在医疗领域中广泛拓展应用场景的良好机遇。”徐炳蔚表示，“我们希望通过 FLI 与 AI 技术的有机结合，率先构建起飞秒激光细胞影像技术领域的应用标杆，后续再把这项平台技术的应用端口逐步开放，联合来自产、学、研各方向的科研力量，共同促进癌症诊断、辅助生殖以及基础医学发展等多个领域的同步快速发展。”