细胞生物学的研究领域范文

导语：如何才能写好一篇细胞生物学的研究领域，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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1 当代大学生的生物科学素养现状及其存在问题

生物相关专业的学生对生物科学技术具有浓厚的兴趣,生物科学技术基础知识扎实,对生物技术发展持积极的肯定态度,具备良好的科技强国的信念。但是,他们对高新生物科学技术知识和先进实验技术了解较少,生物科学实验实践技能较差,对生物科学科研精神的理解和研究方法的掌握不足。有调查表明,当代大学生对于当前的一些生物热点问题有一定的了解,但是对于高新技术的应用和新的科学研究领域的认识不足。在理性上,有43%的学生是盲目的怀疑,或者是盲从专家和他人的观点,对事物较少有自己的看法;在探索求知精神上,“科学功利主义”对学生的影响最大,使得学生视野狭窄、目光短浅;在实证精神上,有62%的学生缺乏实验实证精神,偏重抽象思维,缺乏科学实验的精神和价值眼光。②此外,许多高校只注重生物专业课的常规教学,很少举办专门的科研活动,且科学技能培养与锻炼的途径缺乏,这使得大学缺乏浓郁的科学素养氛围,学生较难形成一定的科学技能,由此科学实践能力也较差。

2 细胞生物学教学中培养科学素养的意义

细胞生物学是生物学类及农林医药类本科生一门必修的专业基础课,是现代生命科学的前沿分支学科之一,它是以细胞为研究对象,从细胞的整体水平、亚显微水平、分子水平等三个层研究细胞和细胞器的结构和功能、细胞的生活史和各种生命活动规律的学科。细胞生物学是一门承上启下的学科,和分子生物学一起同是现代生命科学的基础,并广泛渗透到遗传学、发育生物学、生殖生物学、神经生物学和免疫生物学等的研究中,和农业、医学、生物高新技术的发展有密切的关系,是生命科学的重要支柱之一,在解决人类面临的重大问题、促进经济和社会发展中发挥重要的基础作用。同时,细胞生物学又是一门实践性很强的学科,重要理论与实践密切地联系着。随着生命科学自身和生物产业的快速发展,对生命科学相关领域创新型人才的需求也在不断增加。由此可见,细胞生物学课程中科学素养的培养对于建立与其专业层次、研究方向相符合的细胞生物学知识构架体系,培养和锻炼学生的科学思维能力具有非常重要的作用。

3 细胞生物学教学中如何培养学生的科学素养

细胞生物学作为生物学类及农林医药类的一门专业基础课程,在培养学生的科学素养方面,具有举足轻的重要作用。然而,科学素养的提高不是一朝一夕之功,教师应始终将其贯穿于自己的教学之中。如何在细胞生物学教学中培养和提高学生的科学素养,以下是笔者的一些想法和体会。

3.1 加强课堂教学中的“生活化”融合

  细胞生物学的知识理论性强,内容抽象深奥、难于理解,教师可以试将抽象的内容与日常生活相联系,使学生有此联想起有趣的、熟悉的生活场景或事物,这不仅使抽象的内容具体化和动态化,使其容易理解,而且激发了学生的探究欲望和学习兴趣。例如讲解“蛋白质的分选”时,引导学生由细胞社会联想到人类社会。细胞中的各种蛋白质发挥结构或功能作用的部位几乎遍布细胞的各种膜区和组分,只有当蛋白质各就各位并组装成结构和功能复合体,才能参与细胞的各种生命活动。这就好比在人类社会中,各专业的毕业生只有找到适合其自身特点的工作岗位才能发挥所长。总之,运用发散性思维,尽可能地将细胞生物学抽象的理论知识与生活实际联系起来,并配合以多媒体辅助手段,使抽象的内容变得形象生动,易于理解掌握。

3.2 侧重教学内容的前沿性和新颖性

细胞生物学发展极为迅速,随着科学家们研究成果的不断涌现,其内容处在不断更新的动态过程中。因此,教师在教学过程中,要注重联系学科的前沿和热点,讲述较先进的科学结论,跟踪国际上最新进展。此外,教师在注重教学的同时,宜以科研并举,以科研引导和促进教学;教学与培养科学研究型人才紧密结合;教学内容与最新科研进展同步,使学生在正确掌握细胞生物学基础上学会解决与之相关的科学研究问题。如将教师的主要科研成果与基础理论教学有机结合,结合教学内容介绍自己的科研成果,这样既生动又贴切,学生又很熟悉,使学生获得学习的兴趣和动力,亦可以启发学生的创新思维能力,培养学生的科研钻研精神。

3.3 增加细胞生物学实验综合性和设计性实验的比例

综合性实验注重知识的综合运用,实验原理和方法步骤较为复杂,可以使学生更好地理解实验原理,正确使用仪器设备,锻炼学生综合分析问题的能力;设计性实验是指学生根据实验项

目,自主设计实验方案,自主准备实验材料,自主配制实验所需试剂,根据自己的时间自主安排实验进程,设计性实验可以充分调动学生的实验积极性,培养学生的创新思维和勇于探索的精神。由此可见,综合性和设计性实验可以锻炼学生综合分析问题和解决问题的能力。③然而目前许多高校由于实验条件和课时安排的限制,细胞生物学实验主要以基本操作和验证性实验为主,综合性和设计性实验较少甚至没有,这在一定程度上限制了学生综合素质和创新思维的培养。④因此,教师应根据科学性、可行性和实用性原则增大综合性和设计性实验的比例。如我们精选了真核生物基因组的提取、纯化、鉴定、扩增、酶切、重组、转化、筛选的大实验,膜蛋白的分离与鉴定等综合设计型大实验,这些实验中的每个实验都构成了一个综合性整体,同时,在实验材料的选择上尽量做到由学生自主选择。通过每一次的综合设计实验,使学生进一步巩固了已学习的知识和已掌握的技术,并能够对实验结果进行合理的正确的资料采集、整理、分析和归纳,有效地培养了学生的科学素质、科学精神、创新思维及分析问题和解决问题的能力。 3.4 组织各种“科学小组”,布置学科发展前沿的讨论,与全程科研训练对接,以培养学生的科学态度和科学精神

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Stem Cell and Tissue

Engineering

2011，448pp

Hardback

ISBN9789814317054

Song Li编著

关于干细胞和组织的工程技术是细胞生物学基础研究向应用转化的一个重要方面。2000年以来，这一领域取得了突飞猛进的发展。诸如细胞重编程机制、诱导性多能干细胞（iPS）、仿生材料的更新换代等等，组织工程逐步向器官工程迈进。现在组织工程在皮肤、软骨等方面已有产品面世。中国在这一领域处于世界前列，例如第四军医大学的皮肤组织工程、南通大学的神经损伤修复、上海交通大学的软骨组织工程等研究已经走在前沿。

本书分为20章：1. 组织工程：生物学基础研究到细胞的应用研究；2. 体细胞重编程的进展和展望；3. 造血干细胞；4. 间充质干细胞与组织再生；5.间充质干细胞用于组织修复时的传送介质；6. 干细胞与心脏组织工程；7. 心血管系统：干细胞与组织工程血管；8. 干细胞与血管再生：工程学方法；9. 干细胞与伤口修复；10. 软骨组织工程：从相容性材料到小分子聚合物；11. 用于关节软骨组织工程的成体干细胞；12. 干细胞与椎间盘修复；13. 骨骼组织工程：进展与展望；14. 基于干细胞的口腔骨骼重建；15. 用干细胞修复损伤脊柱的治疗策略；16. 神经干细胞和组织工程的前景与神经退行性疾病的研究和治疗；17. 干细胞工程中的高通量筛选系统；18. 微尺度技术与组织工程和干细胞分化研究；19. 用自体细胞和组织进行治疗时的质控；20. 干细胞治疗技术的管理与挑战。

本书3位主编在这一领域潜心研究多年。Song Li（UC Berkeley）研究领域是间充质干细胞；Nicolas L'Heureux （Cytograft Inc）专长是干细胞研究的管理和法律法规；Jennifer Elisseeff （JHU）专长是软骨的组织工程学。

本书各章由干细胞领域的资深专家精心撰写，汇总了这一领域的最近进展和前景展望。适合细胞生物学、组织工程、干细胞、生物材料学、科技管理领域的专家学者和研究生阅读。

魏玉保，

博士生

（中科院遗传发育所）

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经济的迅猛发展带动科技的日新月异，网络技术与通信技术发展迅速，微信、微博等交流媒介成为大众知识共享的传播平台，而微课作为教学中的创新也备受关注，作为对传统教学模式的颠覆，其更注重教学效率的提升与教学质量的理想化。伴随移动学习时代的到来，微课使得当前学校教育及社会教育都发生了显著的变化。但是我们应该看到，时代催生的网络视频也带有某种弊端性，难以真实有效地满足各个层面的学习需求[1]。焦建利教授提出：传统的课堂实录视频资源已经难以实现互联网时代人们注意力模式的匹配，因此传统的教学方式也很难满足师生教与学的需求。

 

加上网速及宽带的硬性限制，教学资源周转率低，优秀教育教学资源被无形浪费。基于这样的背景，微课诞生，吸取了传统教学视频的弊端教训，更注重主题的突出明确，更具有针对性与服务性，在内容设置上也趋于短小精悍，实现了自由补充与延伸[2]。对于生物细胞学科教学来说，实验是教学的关键，在教学中发挥着重要的作用。不可否认的是生物学作为生命科学的前沿学科之一，无论是实验技术方法还是理论知识阐述都实现了深度的提升与广度的延伸，逐渐实现与遗传学、分子生物学及发育生物学的学科融合，逐渐在生命科学研究领域占据主导[3]。因此，实现微课与细胞生物学实验教学的结合，对学生创新能力与独立思考能力的培养逐渐成为生物实验教学关注的焦点，成为细胞生物学实验教学改革的要务。

一、微课简述

 

1.微课的起源。微课最早由美国爱荷华大学LeRoy A. McGrew教授提出，初衷是针对化学课程总结的60秒概述，设置了三大主体部分，分别为总体介绍、解释说明及举例分析。后来英国学者T.P.Kee在此基础上提出了一分钟演讲，所谓的一分钟演讲就是突出演讲的精练传神，要求具有缜密的逻辑结构及真实生动的案例阐述。在经过上述两个阶段的发展后，微课由美国新墨西哥州圣湖安学院大卫.m.彭罗斯提出并创建实施。其包括15到30秒的介绍及结论，服务与上文的关键概念导引。然后录制上述内容并限制时间为3分钟内，在微课程指引下提出书面作业要求，学会借助课外阅读或者实践活动完成关键知识的学习。目前最具代表性的当属Educause的微课理念，不是指微观学习中的微内容，而是以建构主义学习理论为支撑的在线教学或格式化教学中的教学实际。

 

2.我国微课发展现状。我国微课依然是新兴事物，起步晚，发展相对缓慢，目前涉及领域也有部分处于空白。基于微课的发展现状，当前学术界也未就微课理念达成共识。学者焦建利[4]认为，微课是对某一知识点的集中阐释，主要特点就是短小精悍，在线教学视频是其主要表现形式。学者祝智庭[5]则认为微课应该就某个教学主题展开延伸，组织精细化的课堂教学设计，时间限度最好控制在10分钟以内。而学者胡铁生[6]则认为微课程注重的是视频的微小，因此在针对单一学科或者单一知识点组织教学时应注重教学情景的融入，突出在线学习与自由学习。这一概念也逐渐被大众所认可。资源建设方面，我国微课也尚未成型，目前的应用研究还相对零散，评价模式也有待完善。实现微课程的规范化发展还有很长的路要走。

 

二、细胞生物学实验教学存在的问题

 

1.内容更新缓慢，亟待加强。我国的细胞生物学实验教学一直处于教学滞后阶段，仅仅作为理论教学的补充或者教学附属而开设，缺乏关注上必然影响教学的创新与跟进，加上该实验教学项目单一化趋势严重，时代气息不足，技术手段及知识的综合运用十分缺乏，内容更新十分滞后。

 

2.教学方式单一化，学生自主性不足。细胞生物学实验的基本流程就是提前由教师准备好实验材料、实验仪器及实验试剂，学生在教师的示范引导下按部就班地进行实验操作，整个操作过程趋于程式化、简单化。学生不仅无法在实验准备阶段有所参与，更挫伤了学生创新与研究的积极性。

 

3.教学方法贫乏，缺乏对学生创新能力培养的关注。传统的细胞生物学实验教学受有限的教学时间的限制，因此实验内容与要求也大多提前限定，教师单纯地演示讲解，学生被动地参与学习，双方互动交流不足，教师也无法引导学生进行实验的创新。

 

4.教学技术陈旧，现代教育技术参与较少。细胞生物学作为生物教学的前沿学科，理应注重教学的创新，特别是积极加入现代教育技术的创新元素，以信息技术为核心推动实验教学。但是我国细胞生物学的教学现状却是现代教育技术十分欠缺，传统实验教学维度单一化趋势严重。

 

三、微课在细胞生物学实验中如何应用

 

1.微课的特性和优势，传统多媒体教学的弊端：伴随多媒体技术的迅猛发展及教学融入，部分教师开始尝试运用多媒体辅助教学，但是当代大学生自由散漫的个性也成为多媒体辅助教学实施的制约因素，学生难以集中精力听取教师讲课，精品的视频资源难以得到高效率的运用。应用于课后学习的视频资料也难以受到学生的关注与重视，多数处于闲置。微课则突破了视频教学的局限，具有普通视频教学资源不具备的教学优势。首先，其教学内容浓缩，教学时间较短，借助移动端操作更为便捷，学生学习积极性显著提升。其次，其教学主题十分明确，学生能够迅速找到自己感兴趣的点，从而获得启发教育或者延伸学习。最后，微课视频的教学容量相对较小，符合学生的接受能力，学生更积极主动地参与到微课学习中去。

 

2.细胞生物学微课设计，把握10分钟原则：注意力10分钟。10分钟内有明确的教学目标，内容短小，集中说明一个问题的小课程。微课设计ADDIE模型：A，分析;D，设计;D制作;I应用;E，评价。通常来说，微课设计要想保证自身的完整性必须具备6个基本环节，分别为教学主题的明确、前段分析、微课基础知识点的切割与划分、微课资源要素的重点设计、微课视频录制及后期加工处理、微课的最终终端输出与展现。6个环节紧紧相扣，推动微课的高效开展。

 

四、微课引入实验教学的意义与应用前景

 

微课具有广阔的教育应用前景。2011年，手机将取代个人电脑成为个人信息中心。学生自带设备BYOD，包括个人电脑、手机、上网本、平板等越来越普遍化。这为微课的实施提供了必备的硬件前提。调查中发现，84.44%的被调查者认可微视频在微课教学中的核心地位与作用，并且70%以上的人认为配套的教学设计与课件也是不可忽视的部分。纵观当前的教育改革，多数一线教师已经充分认识到微课教学的魅力与优势，开始在课堂教学中尝试微课教学。其中范福兰等人在基于交互式微视频教学资源教学应用效果的调查显示，70.5%的学生认为交互式微视频资源能够激发他们对课程学习的兴趣，单一的图文及音视频资源则受关注度一般，这也从侧面说明随着流媒体技术的发展成熟，微视频的教学前景将是广阔而光明的。

 

五、一些值得思考的问题

 

1.有关微课适用性，微课程在全国范围内展开，带来教学思想、教学模式的重大转变，各个领域、各种培训、不同学科对于微课程应用的尝试存在“泛用”、“滥用”现象。微课程适用于哪些领域、哪些课程、哪些内容以及荧光怎样设计、怎样制作、怎样使用才是最科学合理的成为今后科学研究的新课题。

 

2.细胞生物学实验微课应用存在问题，我国针对该专业的微课理论研究及实践演练依然不足，多数高校在微课开展实施的过程中存在建多用少的资源浪费现象。因此必须将微课作为校本研修资源，对其加强引导宣传，让教师认可微视频教学的优势并拓展专业发展的新途径。此外微课程应奠定创新型教学模式的资源基础，以期为学生提供更实用的教学资源，做好教学辅助。当然微课作为新兴教学理念，应该在移动学习与泛在学习的基础上实现教学需求与教学实践的同步发展，最大限度提升微课程的开展利用率。

 

六、总结

 

微课作为新兴的教学模式理应受到关注，了解微课的本质内涵，在梳理其优势与缺陷基础上综合当前的运用实际，科学预测并规划后期发展，实现微课在设计开发与应用上的创新完善。本文就微课教学的几点问题进行了归纳分析，以期为微课教学的拓展应用提供有效思路，让微课的魅力更多地展现出来，服务于高校教学。

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关键词：诱导性多潜能干细胞（iPS细胞）；诱导性细胞；细胞治疗

中图分类号：Q813 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）05-0993-05

将已分化的体细胞重编程为类胚胎干细胞样细胞的技术完成于2006年。Takahashi等[1]通过外源表达一组选择性的转录因子导入成体小鼠成纤维细胞，最终确定最少有4种转录基因组合――Oct4（也称Pou5f1、Oct3/4）、Sox2、Klf4和c-Myc可将成纤维细胞重编程为诱导性多潜能干细胞（iPS细胞）。从此iPS细胞的研究开始成为干细胞研究领域的热门，并且iPS细胞的来源也越来越广泛。利用iPS细胞诱导技术将终末分化细胞先诱导成iPS细胞，再进一步诱导成具有特定功能的细胞，如神经细胞，心肌细胞等，称为诱导性细胞。时至今日研究者已经开始尝将iPS细胞应用于临床治疗。

1 诱导性多潜能干细胞的研究进展

从iPS细胞诞生之日起，iPS细胞的研究就成为细胞研究领域的热门。起初，研究者诱导iPS细胞时，iPS细胞的诱导效率极低，而且他们用的是4个转录因子Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc，其中c-Myc还具有一定的致癌作用。后来经过科学家们的不断尝试，开始用小分子化合物、miRNA、mRNA或蛋白质等导入细胞来诱导iPS细胞[1-6]，转录因子的个数也从4个减少到1个，甚至只用小分子化合物等物质来诱导iPS细胞[7-9]。近年来iPS细胞研究取得了突破性进展，如建立了人类疾病特异的iPS细胞，借助锌指核酸酶和转座子等介导的转基因技术高效制备了无病毒的iPS细胞[10-13]。

从2007年Takahashi 等[2]和Yu等[3]先后将人的体细胞重编程为iPS细胞开始，多种人类成体干细胞被重编程为诱导性多潜能干细胞，但是直到2013年Trokovic等[14]才将人类骨骼成肌细胞重编程为iPS细胞，他们通过逆转录病毒载体（图1）或仙台病毒载体介导目的基因的异位表达，在无饲养层且含有适宜的培养基条件下，可以使人类骨骼成肌细胞达到和人类成纤维细胞一样的重编程效率，再加入组蛋白脱乙酰酶抑制剂丙戊酸钠（VPA）、丁酸钠（NaB）和ALK4/5/7抑制剂SB431542（SB），能明显提高人类骨骼成肌细胞重编程为iPS细胞的诱导效率。

到目前为止，除了人之外，小鼠、大鼠、猴子、绵羊、猪的iPS细胞系均已建立[15-19]。

iPS细胞研究的意义重大，它不仅为多潜能干细胞[20]的获取提供了新的途径，而且避免了传统胚胎干细胞研究中存在的伦理问题，同时还解决了免疫排斥反应问题，为细胞的体外培养和诱导提供了平台（图2），使人们在细胞和分子水平上研究人类多种疾病及其发病机理成为可能（图3），也为相应药物的研发提供了便利。正是由于iPS细胞技术使得整个细胞生物学研究发生了质的飞跃，所以Yamanaka荣获了2012年的诺贝尔医学奖。当然，目前iPS细胞的发生机制还不是十分明确，还有待深入了解，iPS细胞的诱导效率仍然很低，整个诱导过程相对繁琐，费用比较昂贵，达到商业化、大众化应用的地步还有些遥远，这一切都有待进一步研究和开发。

2 诱导性细胞的研究进展

利用iPS细胞诱导技术，通过导入特定的转录因子组合，再加入一些小分子化合物等物质，将终末分化细胞先诱导成iPS细胞，再进一步诱导成具有特定功能的细胞，如神经细胞、心肌细胞等，称为诱导性细胞或诱导细胞。到目前为止，已经在多种具有重要功能的细胞上诱导成功[21-23]。

2.1 诱导性造血和血管祖细胞

Park等[21]在改进的无饲养层的内皮培养条件下，利用了一组重组生长因子[骨形态发生蛋白4（BMP4）、血管内皮生长因子（VEGF）和纤维母细胞生长因子2（FGF2）]的最适组合，然后在成分明确的内皮细胞生长培养基（EGM-2）中附着低密度培养，用人类胚胎干细胞和人类诱导多潜能干细胞培育出大量的CD34+CD45+造血祖细胞（表1）。这些造血祖细胞出现在附着于内皮或基质的细胞层周围，从某种意义上来说，这种方式与体内胚胎生血内皮的造血方式类似。虽然之前已经证实由成纤维细胞衍生而来的hiPSC细胞系并不具备有效分化为造血内皮的能力，但是这个培养体系能够使hiPSC具有和hESC一样分化为造血内皮的能力。这个有效的分化体系可用于直接延时摄像和造血发生过程的时间进程研究等。

2.2 诱导性神经细胞

Kuo等[22]在由海藻酸和多聚γ-谷氨酸（γ-PGA）以及表面神经生长因子构成的水凝胶中将iPS细胞诱导成神经元。这种由海藻酸和多聚γ-谷氨酸（γ-PGA）以及表面神经生长因子构成的水凝胶在整个诱导过程中发挥着重要作用，而孔隙结构、孔隙度和溶胀比也有一定的影响。在这种水凝胶中，iPS细胞分化的形态学图像（图4）展示出神经元的特点。在诱导iPS细胞向神经元分化的过程中，表面神经生长因子可以增强β Ⅲ微管蛋白的表达强度而抑制SSEA-1的表达强度。iPS细胞在这种水凝胶中的分化可以通过SSEA-1和β Ⅲ微管蛋白的表面抗原免疫化学染色和扫描电子显微镜来观察鉴定。

2.3 诱导性心肌细胞

Jiang等[23]使用从Oct4-GFP-C57小鼠身上获得的心脏成纤维细胞（Cardiac fibroblasts，CFs）感染逆转录表达重组因子（Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc）来诱导功能性心脏细胞（Cardiomyocytes，CMs）。以初代的小鼠胎儿成纤维细胞（MEFs）作为对照，试验发现由CFs衍生而来的iPS细胞（CF-iPS）与胚胎干细胞（EBs）及MEF衍生而来的iPS细胞（MEF-iPS）具有同样的生理学特性。他们使用经典拟胚体的方法和Transwell CM共培养体系来模拟心肌旁分泌微环境，进而将CF-iPS向功能性心肌细胞诱导。在模拟的心肌旁分泌微环境中，CF-iPS自发地形成可以跳动的EBs。这些分化而来的能够自发跳动的细胞可以表达心脏特有的组织特异性转录和结构因素，而且显示出典型的心肌形态学和电生理特征。

当然，除了上述诱导性造血和血管细胞、诱导性神经细胞和诱导性心肌细胞外，还有其他的诱导细胞也已经被人们所发现并认知。如Yamaguchi等[24]将小鼠的iPS细胞诱导成肥大细胞。

3 展望

iPS细胞自诞生之日起即受到人们的关注，iPS细胞的研究开创了细胞生物学的新篇章，也极大地促进了表观遗传学和胚胎生物学的发展，为人类再生医学和特异的细胞治疗带来了更美好的希望。

如果供体细胞是来源于病人自身的体细胞，就可以避免免疫排斥反应问题，将这些体细胞先诱导成iPS细胞，进而再诱导成具有特定功能的目的细胞，理论上就可以用于临床医学和再生医学，这样就有望实现个性化治疗。然而，到目前为止，诱导细胞的种类有限，诱导效率也有待提高，并且细胞的功能仍需要大量动物模拟试验验证。

目前，如何获取更多的从终末分化细胞诱导而来的iPS细胞，并进一步诱导成具有特定功能的细胞成为热点，对多种体细胞衍生的iPS细胞和多种新的培养诱导方法[25-28]也已经进行了尝试。

尽管这种诱导的功能性体细胞在将来可能具有较高的应用价值，但是其中的详细机理仍需要探索明确。相信在胚胎干细胞研究、iPS细胞研究、现代基因组学和RNA组学以及蛋白质组学的发展和带动下，在不远的将来，越来越多的诱导细胞有望在临床医学和生物学基础研究上发挥重要作用，从而加快再生医学和动物组织工程的发展，同时，也能促进发育生物学、表观遗传学和细胞生物学等基础研究的发展。

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硒是人体必需又非常重要的一种微量元素,在肾脏中的含量居体内各器官之首。那么,硒在保护肾脏、防治肾脏病的发生、发展中起什么作用呢?

硒与肾脏疾病的发生密切相关

微量元素与健康是近年来生物和医学中新开辟的一个研究领域。国外大量研究发现,硒对汞、铅、鎘等重金属元素引起的大鼠肾功能损害有很强的保护作用,同样,硒对于顺铂、阿霉素等化疗药物引起的大鼠肾功能损害也有很好的保护作用。国内临床研究观察了10名单纯性肾病患儿体内5种微量元素的变化,结果发现患儿肾病发生时硒元素含量较低,对病情评估和治疗有一定意义。

专家测定40名慢性肾炎患者血浆脂质过氧化(LPO)、血浆谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)和B族维生素(VitB)水平,结果提示患者抗氧化能力的明显减低与LPO水平升高有关,且与肾功能损害程度密切相关,而硒恰恰具有很强的抗氧化能力。除此之外,临床研究还发现,硒对急性镉中毒性肾损伤有保护作用,对减轻顺铂的肾毒性也具有良好的疗效。

5大作用保护肾脏

那么,硒究竟是通过什么机理来保护肾脏的?

1.清除自由基氧自由基可导致肾小球硬化、萎缩和间质纤维化,这是各种慢性肾脏病共同发病机制之一。因此,治疗和防治肾脏损伤的关键是清除自由基。而硒能显著提高体内“含硒酶”的活性,从而提高肾脏清除自由基的能力,达到保护肾脏、防止肾脏病进一步加重的目的。

2.提高免疫功能肾脏病作为一种免疫性疾病,硒可影响其发生和发展。硒是活化和维持免疫应答的必需要素,能维持活性氧的正常水平,使免疫功能得到最佳发挥。

3.清除有害重金属一些重金属,如铅、镉、汞等能损害肾脏功能,加重原有肾脏疾病。硒在体内具有良好的解毒功能,能促使有害重金属从肾脏排泄,从而拮抗重金属引起的肾脏损害。另外,硒对肿瘤病人应用化疗药物引起的肾脏损害也有类似的防治作用。

4.调节甲状腺功能硒缺乏时,可造成甲状腺素代谢特异性改变,表现为肝、肾T4到T3转化减少,血浆T4上升,T3下降,进而引起肾脏一系列生理生化改变。补充硒,能够阻止甲状腺素代谢特异性改变进程,从而达到保护肾脏的作用。

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在体成像技术的发展及成像策略的不断提高，能够在活的生物体内揭示细胞和分子水平的诸多细微变化，有助于在生物整体、真实的体内环境中高时间分辨率地研究生命过程。针对某一生物过程的带有光学标记的报告基因已被广泛应用于细胞生物学的研究，近年来正被更多地用于在活的动物模型中探究人体内生理机能和疾病的生物学过程。利用荧光蛋白、萤光素酶基因等生物材料标记细胞、病原体和基因，早已被证实是一种在体内设置“检测器”、体外直观检测的非常可行的策略[1]。

1在体生物发光成像技术的原理

通过生物技术将构建的以萤光素酶基因作为标记基因的载体（重组原核表达质粒、重组真核表达质粒或重组病毒），经转化、转染或感染并筛选得到重组病原菌、细胞（如免疫细胞、肿瘤细胞、胚胎干细胞等）或重组病毒（如腺病毒、慢病毒、逆转录病毒等）用于转入小动物；或是将含萤光素酶及调控序列的载体线性化后经显微注射等技术稳定整合于小动物基因组制备转基因动物[2－4]。标记基因的表达可通过多种调控元件进行调控，如靶基因的启动子和增强子等；标记的方法因研究领域、研究目的和实验策略的不同而各异[4]，但最终都是在体内组织如血液、肝脏、脑、脾、肾等靶部位因特定生物过程的发生而伴随产生有酶活性的萤光素酶。在注入底物即萤光素的条件下，萤光素酶催化底物反应产生特定波长的光信号，通过成像系统可以直观检测到光信号的产生及变化，实时反映体内发生的生物过程，如基因的调控表达、信号传导、蛋白质之间的相互作用、细胞增殖与分化等。因此，在体生物发光成像技术可广泛应用于分子生物学、细胞生物学、病毒学与免疫学、肿瘤学等研究领域[5－8]。

2在体生物发光成像技术的应用

2．1标记于肿瘤细胞、免疫细胞、胚胎干细胞等，转入体内后进行成像

萤光素酶基因作为一种报告基因，最初应用于体外培养细胞内目的基因的表达研究。在体生物发光成像技术的发展，使其能够应用于在体组织细胞的表达研究[9]。萤光素酶是一类生物发光酶，1种细胞可同时被2种具有不同底物的萤光素酶标记。例如其一可由一组成性稳定表达的启动子驱动，作为内参，反应细胞数量的变化；另一萤光素酶由要研究的组织特异性启动子驱动，其发光信号的变化，在消除细胞数量变化的影响后就可反映特定的启动子在动物体内的表达活性[10－11]。

2．1．1肿瘤及抗肿瘤研究在体生物发光成像技术可直接实时地监测各种癌症模型中肿瘤的生长和转移，并可对癌症治疗中癌细胞的变化进行实时观测和评估，能够无创伤地定量检测小鼠整体的原位瘤、转移瘤及自发瘤。Klerk等[12]研究证实了利用此技术测量肿瘤负荷具有很高的可靠性。Minn等[13]应用该技术进行了乳腺癌肺转移相关基因的研究，他们构建能够表达荧光蛋白、萤光素酶的反转录病毒载体，并稳定转染已获得的不同亚群肿瘤细胞，先通过荧光激活细胞分选术筛选同一亚群内具有相同转染效果（稳定表达外源蛋白即荧光蛋白和萤光素酶，且水平一致）的细胞，并尾静脉注射免疫缺陷小鼠，通过检测生物发光的部位和大小，评价不同亚群肿瘤细胞向肺部位的转移情况及其转移能力，再通过检测细胞内各基因的表达差异来分析肺转移相关基因。Gupta等[15－16]又用相似的方法来研究乳腺癌脑转移相关基因及乳腺癌肺转移过程中分化基因介导的肿瘤再起始，结果再次显示了生物发光成像技术应用于肿瘤及癌转移机理研究领域的优越性。

2．1．2抗肿瘤免疫及肿瘤细胞疫苗的研究用带有生物发光标记基因的小鼠淋巴细胞或基因修饰的肿瘤细胞疫苗，可以检测放射及化学药物治疗的效果，并可寻找在肿瘤骨髓转移及抗肿瘤免疫治疗中复杂的细胞机制。Cayeux等[17]用萤光素酶基因标记基因修饰的肿瘤细胞疫苗来免疫小鼠，而用另一种底物不同于前者的5，6－carboxy－succinimidyl－fluorescein标记该小鼠内一种与肿瘤相关的免疫细胞，通过2种不同的标记研究了基因修饰的肿瘤细胞疫苗免疫小鼠后抗原递呈、免疫细胞之间的相互作用及不同免疫细胞在体内免疫过程中的作用。

2．1．3药物促肿瘤细胞凋亡的研究当萤光素酶与抑制多肽以融合蛋白形式在哺乳动物细胞中表达，产生的融合蛋白无萤光素酶活性，细胞不能发光，而当细胞发生凋亡时，活化的caspase－3在特异识别位点切去抑制多肽，萤光素酶活性得到恢复，由此可用于观察活体动物体内的细胞凋亡相关事件。细胞凋亡时被激活的caspase－3／7与DEVD－氨基萤光素（aminoluciferin）特异结合而被酶解为氨基萤光素，它可被萤光素酶识别而产生生物发光信号。Liu、Hickson等[18－19]利用这一现象设计的细胞凋亡检测方法均能够以极低的DEVD－氨基萤光素量获得较强的发光强度，因而这一方法可用于评价TNFα（α肿瘤坏死因子）、FasL、TRAIL（TNF相关促凋亡配体）等因素针对肿瘤的治疗效果。

2．1．4胚胎干细胞及再生医学的研究胚胎干细胞在再生医学领域极具应用前景，然而注入活机体的胚胎干细胞及其分化细胞尚存在显著的细胞死亡、畸胎瘤的形成、宿主免疫排斥反应等障碍。应用在体生物发光成像技术，可对胚胎干细胞本身及其在注入机体后的存活、增殖、分化等生物事件的发生机理进行深入研究，从而使上述诸多问题得以解决[20]。

2．2标记病原微生物，用于研究感染致病机制、转移途径及宿主免疫反应等

在感染性疾病的研究中，在体生物发光成像技术的应用，不仅可以提供疾病进程中观测病原体在动物体内的寄居部位、数量变化及对外界因素的反应等实时变化信息，而且更有助于揭示感染体内病原体逃逸宿主防御的机制[21]。对病原体感染过程非侵入性的检测能够对疾病进程实时地提供新的信息，且有可能发现新的感染位点[22]。Lucker等[23－26］以萤光素酶基因标记HSV－1（单纯疱疹病毒）并分别侵染Ⅰ类干扰素受体缺失、Ⅱ类干扰素受体缺失、Ⅰ和Ⅱ类干扰素受体均缺失的小鼠，可观察到HSV－1对不同干扰素受体缺失小鼠的肝脏、肺、脾、淋巴结的侵袭，及病毒从血液系统进入神经系统的过程，从而证实了不同干扰素在HSV－1感染中所起的不同的作用。Lucker等[27]针对痘苗病毒的类似研究也证实，不同干扰素在机体感染过程中各自和协同发挥的重要作用。#p#分页标题#e#

2．3标记于基因治疗载体用于探究基因治疗机制和评价治疗效果

将一个或多个目的基因安全有效地转入体内靶细胞可用于基因治疗，应用萤光素酶基因作为报告基因构建载体，观察目的基因是否能够在试验动物体内持续高效和特异性表达。这种非侵入方式具有容易准备、低毒性及轻微免疫反应的优点。萤光素酶基因也可以插入脂质体包裹的DNA分子中，用来观察脂质体为载体的DNA运输和基因治疗情况。Smith等[28]已经运用该技术进行了HSV作为肝脏疾病基因治疗载体的可行性研究。Chou等[29]将带有萤光素酶基因标记的稳定表达肝细胞癌抗原的质粒转入沙门菌减毒株，并作为疫苗口服免疫模型小鼠，在体成像显示了体内沙门菌成功表达抗原和沙门菌作为活菌疫苗在体内的清除过程。

2．4蛋白质间相互作用、信号转导等的研究

蛋白片段互补策略广泛用于研究细胞内蛋白质间的相互作用，这种策略在借助在体生物发光成像技术后就可以被运用到活体动物内，以非侵入、可量化、实时地显示蛋白质之间的相互作用[31]。在动物体内直接观察细胞中或活体动物体内2种蛋白质的相互作用，可将Firefly萤光素酶（Fluc）的N端与C端分离开，分别与2个可能产生相互作用的目的蛋白相连，并使2组蛋白由不同的载体分别诱导表达。在体的细胞内若2个目的蛋白能靠近并结合形成完整的Fluc，则会产生发光信号。Andrea等[32]建立了一种转基因报告小鼠，由特异启动子（TgG4F（＋／－））及其转录反式作用因子多联体蛋白Gal4进行调控。将融合了Gal4BD的p53和融合了VP16的TAg的病毒载体共转入该小鼠的肝脏细胞，在小鼠肝脏部位观察到了明显的发光信号，显示p53与TAg的结合引发Gal4BD与VP16结合，结合的多联蛋白顺利与启动子TgG4F（＋／－）结合，进而引发Fluc在肝脏组织的表达。

2．5体内干扰RNA及DNA疫苗的研究

目前RNA干扰技术已经发展成为一种体外转录后沉默基因的方法，在体内RNA干扰的转录后表达沉默可以引起各种广泛的生物学效应，因此生物发光在体成像技术有力地促进了体内RNA干扰的研究和在体内利用RNA干扰技术进行其他疾病机理及生物治疗的探索。McCaffrey[33]等通过将表达萤光素酶的真核表达载体与针对萤光素酶基因设计的双链小干扰RNA（siRNA）共注射成年小鼠，与对照组比较，前者的荧光强度明显减弱，表明针对性的双链siRNA明显起到抑制基因表达的作用。他们还构建表达功能性小发夹RNA（shRNA）的真核表达载体，与表达萤光素酶的载体共注射成体小鼠，与对照组相比，同样观察到长时程后荧光强度明显减弱。RNA干扰技术成功用于临床治疗须保证双链siRNA有效转入体内并维持有效的浓度，而借助在体生物发光成像技术则可便捷准确地评价双链siRNA运送方法的效果。Takeshita等[34－36]已利用该技术分别对各自所设计的不同的双链siRNA运送方法进行了全面的评价，并发现合理的运送方法，如双链siRNA与某些小分子化合物的连接修饰与单独的注射双链siRNA相比，前者能使双链siRNA在体内较长时间内不被降解。RNA干扰可作为传统DNA疫苗的补充，被用以在体内消除免疫抑制因子表达。DNA疫苗的效应常常因相关的信号转导途径下调该获得性免疫反应而受到限制。因此，免疫抑制性的信号途径的沉默将是DNA疫苗效能得到加强的一种极有潜力的策略。Huang等[37]应用在体生物发光技术所做的研究结果显示，皮下注射编码shRNA的DNA，可以作为体内基因沉默和一种能够有效提高DNA疫苗效果的手段。

2．6标记于转基因载体建立转基因动物模型

2．6．1基因表达动物模型为研究目的基因是在何时、何种刺激下表达的，可将萤光素酶基因插入目的基因启动子的下游，并稳定整合于实验动物染色体中，形成转基因动物模型。可用于研究动物发育过程定基因的时空表达情况，观察药物诱导特定基因表达及其他生物事件引起的相应基因表达或关闭。Chen等[37]将受胰岛素调控启动子调控表达萤光素酶的转基因小鼠制成糖尿病小鼠模型，采用在体生物发光成像技术证实了肝脏组织中含有可生成胰岛素的细胞。研究结果也证实了在转录调控序列和反式转录因子与目的基因相同的情况下，萤光素酶的表达水平及底物发光强度能够真实反映目的基因的表达状况。目前对于调控多药耐药性基因－1（mdr－1a）表达的关键因子和胞内微环境的机制尚不明了，使多药耐药性依然成为对癌症患者成功化疗的一大障碍。为深入研究mdr－1a在体内组织中转录调控的机制，Long等[38]通过胚胎干细胞同源重组、遗传杂交的手段构建了基因型为mdr－1a＋／Fluc的转基因小鼠（野生型基因型为mdr－1a＋／＋）。mdr－1a＋／Fluc中Fluc已完全置于mdr－1a开放读码框中，其表达受内源性mdr－1a启动子及相应各种反式作用因子的调控，Western印迹等不同方法均验证了该模型mdr－1a的表达量与Firefly萤光素酶蛋白表达、发光强度成正比。该小鼠体内Fluc的表达与mdr－1a的表达在时间、所处的微环境均完全一致，可作为研究各种因素下mdr－1a表达调控的理想的动物模型。类似的研究所建立的模型能弥补体外细胞培养不能提供的特定基因表达的真实微环境的缺点，也能弥补基因敲除小鼠存在的代偿效应等不足[39]。

2．6．2各种疾病模型研究者根据研究目的，将致病基因、病毒及细菌进行萤光素酶标记，转入动物体内形成所需的疾病模型，包括免疫系统疾病、感染疾病等。除可提供靶基因在体内的实时表达和对候选药物的准确反应，还可以用来评估候选药物和其他化合物的毒性，为药物在疾病中的作用机制及效用提供研究方法。Hsieh[40－41]等将受前列腺特异性抗原启动子调控表达萤光素酶转基因小鼠（sPSA－Luc），与前列腺癌转基因模型小鼠TRAMP杂交，经检测筛选得到的子代小鼠TRAMP－Luc随前列腺特异性抗原的表达稳定产生萤光素酶。因此，该小鼠借助在体生物发光成像技术已被成功地用于前列腺癌的发生及转移研究。

3在体生物发光成像技术的发展趋势

篇7

2012年，他的研究被《科技日报》列为一周（8月27日―9月2日）国际要闻报道（2012-09-03二版）；2012年，他的研究发表在影响因子高达25.9的《细胞―干细胞》上；2012年，美国Yale大学干细胞中心的NataliaB.Ivanova教授在CelStemCel上为他的研究撰写的评论指出：“本研究极大地扩展了目前我们对于干细胞自我更新和分化的分子机制的知识，为深入理解染色质修饰机制及其在胚胎干细胞自我更新和分化中的调控机理提供了重要的线索，并为今后进行新的、令人激动的进一步研究铺平了道路。”

2012年，他是闪耀表观遗传学的新星，他是李相芝。

一项成果引来关注

表观遗传学（Epigenetics）指的是在不改变基因的核苷酸序列的基础上，可以通过基因修饰，蛋白质修饰及蛋白质与蛋白质、DNA和其他分子的相互作用而影响遗传基因的调节，并且通过细胞分裂和增殖周期而遗传的新兴学科。表观遗传修饰通过DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、以及非编码RNA等调控方式来实现对基因表达的控制，在正常的细胞增殖、分化、干细胞维持自我更新、定向分化、胚胎发育、肿瘤发生、发展、机体正常代谢调节等过程中，起着非常关键的作用。因此，深入研究表观遗传学，对于维持正常机体发育、肿瘤发生发展、治疗和预防都具有重要的指导和实践意义。

2012年，李相芝教授的一项研究成果受到人们的广泛关注，使这位在表观遗传学领域默默耕耘十几年的科学家从幕后实验室走了出来，成为世人瞩目的焦点，盛赞之下，他却依然默默无闻的进行着自己喜爱的科学研究，波澜不惊。

这一年，李相芝教授与美国密歇根大学窦亚丽教授合作，系统研究了组蛋白乙酰转移酶MOF对于胚胎干细胞核心转录网络调控的分子机制。研究表明MYST家族组蛋白乙酰基转移酶MOF是胚胎干细胞核心转录网络的关键调控因子。尽管以往的研究表明组蛋白乙酰化在维持胚胎干细胞多能性中起着重要作用，但其调控机制仍然知之甚少。研究表明MOF作为干细胞多能性的关键调控因子Nanog的共激活因子介导基因的转录激活功能，维持干细胞多能性相关基因以及主要的分化、发育调控基因的表达。MOF不仅具有维持胚胎干细胞的自我更新的能力，也就是自我复制更多胚胎干细胞的能力；同时还确保胚胎干细胞的多能性，即胚胎干细胞正确的分化为体内各种组织细胞的能力。

李相芝教授表示，本研究利用Mof，Pcls转基因小鼠，基因敲除小鼠阐明组蛋白修饰对基因表达调控的影响；明确组蛋白修饰调控在白血病，乳腺癌等肿瘤的发生发展及侵袭转移中的作用；并发现新的组蛋白修饰因子，探明组蛋白修饰与DNA甲基化之间相互作用的分子机制，鉴定一些具有潜在临床应用价值的肿瘤诊断及治疗的新的分子靶标；发现针对乳腺癌、白血病等肿瘤的有效治疗靶点。为乳腺癌和白血病等肿瘤的预防、诊断、治疗提供分子标志及药物靶标。

一种坚持令人佩服

然而，众所周知，科研工作是一项长期且艰苦的脑力劳动，没有人能够随随便便成功，每一个成功者的背后，都有着数不清的汗水和泪水。

在这项成果发表之前，李相芝教授从在日本千叶大学医学院/理化学研究所免疫与过敏研究中心（RIKEN・RCAI）跟随著名的表观遗传学、发育生物学家古关明彦攻读博士学位开始，取得博士学位之后在美国密歇根大学病理系跟随著名的表观遗传学家YaliDou教授做博士后研究，到现在十多年间，他一直从事着干细胞、个体发育、肿瘤发生发展的表观遗传学调控研究，在表观遗传学调控研究方面撒下了辛勤的汗水，积累着丰富经验的同时也取得了丰硕成果。

近5年来，李相芝教授已在国际权威期刊（CellStemCel，MolecularCel，Mol.CellBiol.，Development，RNA，Epigenetics，Blood等）上发表十余篇高学术水平SCI论文，被引用200余次，尤其分别发表在国际顶级期刊CellStemCel及MolecularCel上的论文受到了国内外的广泛关注和专家高度评价。

2011年8月，山东大学医学院从美国密歇根大学引进李相芝博士为齐鲁青年学者特聘教授。在谈到自己在山东大学工作的情况时，李相芝教授说在山大的一年多时间里，无论是学校领导还是医学院、细胞生物学研究所的领导都给了他很大的帮助和自由的学术空间。他们“不会过多地限制我该做什么，不会特别看重我是否能在短期内出成果，刚开始我主要是将大量精力放在建设实验室，培养研究生基本技能，和本科、研究生及留学生教学等方面；同时抽时间凭兴趣做一些实验，虽然取得的成果有限，但过得很充实、很有意义。”

正是这种宽松的环境令李相芝教授的科研工作有了突破性进展，也正是这种学术氛围，让李相芝教授能发现令干细胞保持“干性”的关键蛋白，也正是这一关键蛋白对干细胞治疗疾病的潜力的发挥至关重要。

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授奖公告指出，人的身体是由数十亿细胞相互作用的精确校准系统，每一个细胞都拥有一个微小的受体用于感知其周围环境，以便让细胞得以适应新的环境。长期以来，有关细胞如何感知、适应周围环境一直是一个未解之谜。科学家们已知道荷尔蒙如肾上腺素等对提升血压和加快心率拥有重大的影响，他们猜测在细胞的表面拥有某种对于这些荷尔蒙物质的受体，然而这些受体具体是由什么构成的以及它们究竟如何工作，在上个世纪的大部分时间里，这些激素受体的实际成分及其工作原理却一直是未知数，困扰着科学家们。美国科学家罗伯特·莱夫科维茨和布赖恩·科比尔卡正是因为在“G蛋白偶联受体方面所做的贡献”。

罗伯特·莱夫科维茨，1943年出生于美国纽约。1966年在美国哥伦比亚大学获得博士学位。目前在美国霍华德·休斯医学研究所从事研究工作，并担任美国杜克大学医学中心医

罗伯特.莱夫科维茨学教授、生物化学教授。2007年获得美国国家科学奖章。2009年在生物医学的范畴获得BBVA前沿知识奖，同年又获得美国心脏协会研究成就奖。

布莱恩·科比尔卡，1955年出生于美国明尼苏达州。1981年在美国耶鲁大学医学院获得博士学位。目前担任斯坦福大学医学院医学及分子与细胞生理学教授。2011年成为美国国家科学院院士。2012年4月16日，科比尔卡受聘为清华大学客座教授。他是一个非常低调、非常认真的人，来清华的时间里，从早到晚都在医学院实验室指导自己的博士后、博士生做实验。2011年10月25日在《科学》发表：G蛋白偶联受体“停靠站”结构被确定。

莱夫科维茨于1968年针对生物细胞“感知”周围环境的能力，试图解密肾上腺素之类激素物质促生血压升高和心跳加快等生理反应的机理。这以前，科学界推测，细胞表面包含某种激素“受体”。莱夫科维茨开始利用放射学来追踪细胞受体，他将碘同位素附着到各种激素上，借助同位素的辐射性状追踪以至揭示多种激素受体，其中包括肾上腺素的受体即β-肾上腺素受体。他的科研团队最终在细胞壁内分离出β肾上腺素受体，继而对这种受体发挥作用的机理形成了初步认识。

20世纪80年代，该领域研究又有了跨越式发展。年轻的科比尔卡加入了莱夫科维茨团队，接受一项挑战，即在人类染色体基因组中确定为β肾上腺素受体“编码”的特定基因。科比尔卡通过巧妙的实验方法将β-肾上腺素受体的基因信息从庞大的人类基因组中分离出来。科研人员发现，β-肾上腺素

莱夫科维茨和科比尔卡的研究对于理解G蛋白偶联受体如何起作用至关重要。2007年，科比尔卡首次用T4溶菌酶融合法解析了β-肾上腺索受体的结构，该方法后来成为获取G蛋白偶联受体三维结构的常规手段。此外，2011年科比尔卡又和研究团队拍摄到了β-肾上腺素受体被激素激活并向细胞发送信号时的精确图像，这是数十年研究得来的“分子杰作”。2011年8月24日出版的英国《自然》杂志以《关于结构的所有》专题介绍了其研究成果，并在前言中记叙到：科比尔卡以超过20年来的努力，完成了一幅极其关键的细胞受体“肖像画”。

篇9

北京林业大学“环境工程微生物学”课程被列为环境工程专业必修课和专业基础课，总计48学时，其中理论课32学时、实验课16学时。在有限的学时内，如何使专业学生较全面地掌握环境工程微生物学的基础理论体系、核心知识内容和基本实验技术，培养学生观察和分析事物的能力、利用微生物学理论知识解决环境问题的能力和创新能力，是本课程的中心任务。基于此，笔者对该课程近几年的教学情况和成果进行了综合分析，对问题和经验进行了总结和研究。

一、课程的定位

“环境工程微生物学”在整个环境工程专业的课程体系中是一门非常重要的专业基础课。它既包括基础微生物学的知识内容（微生物的分类、形态结构、营养、代谢、生长繁殖、生态、遗传和变异等），还包括微生物在环境物质循环和环境污染控制中的作用原理（微生物在元素循环中的作用、微生物对污染物质的降解和转化等）以及微生物新技术在环境工程中的应用等方面的内容。因此，环境工程微生物学不等同于环境中的普通微生物学，也不是环境污染的生物处理工程。“环境工程微生物学”是在学生不具备微生物学的基础理论知识的背景下，通过介绍与环境科学与工程领域相关的微生物学基础知识理论和实验技术，为后续的水、空气、固体废弃物污染控制工程以及污染环境的生态修复等专业主干课程提供知识储备和理论基础。这就是“环境工程微生物学”课程学习的目的和任务。这一点对于“环境工程微生物学”课程教师的教学和学生的学习都非常重要，它决定了整个课程的逻辑结构、重点内容和教学方式。也就是说，“环境工程微生物学”的教与学，必须突出环境污染治理和生态环境保护的主题，将微生物学的知识理论和环境领域的工程实践紧密结合，才能取得良好的教学效果。

二、教学内容的设置

目前，各个学校编写了不少环境微生物学的教材。其中，周群英和王士芬编着的《环境工程微生物学（第三版）》为广大高校的环境科学与工程专业所采用，它基本可以满足一般工科类院校的教学要求。但是，在使用的同时，各学校还应根据自身的专业特色，对其中各章节的内容进行取舍，并针对各自的专业适当增加内容，比如土壤微生物、海洋微生物等，以体现学科的优势研究领域。

在“环境工程微生物学”的教学过程中，把握好基础微生物学和微生物在污染控制中的作用两部分的关系十分重要。前者是后者的理论基础，后者则是前者的工程应用，重点则是环境工程实践中的微生物学原理。如果对微生物的结构、营养、代谢等内容介绍过多，课程容易演变为细胞生物学、微生物生理学或生物化学等；而对污染控制的具体工艺过程涉及过多，又容易重复污染控制工程的课程内容。因此，在课程教学时，应合理安排这两部分的比例。另一方面，“环境工程微生物学”的教学还应处理好与其他相关课程的相互关系。北京林业大学开设的“植物学”“环境生物学”等课程与“环境工程微生物学”之间存在一定的联系，3门课程在如细胞结构、生理代谢、遗传变异等知识内容上均有一定的论述，但课程核心和重点内容各不相同。在讲解“环境工程微生物学”时，应注重强调微生物细胞、生理、遗传方面的独特性，并对这些特性在环境工程领域的应用展开详细介绍。也就是说，在教学过程中需要注意知识单元的逻辑衔接，注重课程体系的统一性，要明确课程的侧重点，避免重复。

基于当前环境科学与工程学科的飞速发展，“环境工程微生物学”的课程教学还应紧密结合当前环境污染控制和生态修复相关领域的新进展，而不能只停留在传统污染处理工艺的微生物学原理上。教师通过对最新污染控制工程理论和技术的微生物学原理进行解析，可以激发学生学习的兴趣、专业的热情，树立投身环境保护事业的志向，课程的教学效果也会随之提高。例如，在废水生物处理的微生物学原理部分，笔者介绍了这几年比较受关注的利用好氧颗粒污泥处理高负荷、强毒性有机废水的新工艺，解析了活性污泥微生物胞外聚合物在好氧颗粒污泥形成中的作用以及生物处理系统由于污泥浓度大幅增加而带来的高效性，来强调通过利用微生物的生理生化特性进行废水处理技术的革新。学生对这些新内容的反馈很活跃，也引发了很多讨论。

三、教学方法的改革和创新

随着计算机技术的迅猛发展和现代社会的快速信息化，传统的、单一的灌输式教学方法难以取得满意的教学效果，也无法满足当前创新型人才的培养要求。大学课堂的教学必须与时俱进，应借助多媒体、网络以及最新的科研成果和成功的工程实例，来丰富教学的内容和形式，提高教学效率和效果。

(一）合理使用多媒体课件

根据实验心理学的原理，对于同样的信息，图像比文字容易被信息接受者所记忆，这就是所谓的“图象优势定律”3]。在传授以叙述性为主的知识内容时，合理使用形象思维方法，可以帮助学生提高记忆力；而信息的几何形状、色彩、字符对形象思维的建立起着相当大的作用。环境工程微生物学的研究对象是肉眼看不见的微小生物，在教学中通过展现大量生动形象的微生物照片，可以使学生容易认识和区分种类繁多的微生物，印象深刻，易于激发学习兴趣。例如，在比较G+和G—细菌的结构时，通过对细胞图片的详细讲解可以清楚地说明二者的区别：G—细胞由胞外到胞内依次为外膜、细胞壁、周质空间及原生质膜，而G+则为细胞壁、原生质膜；同时，G—细菌的细胞壁上仅有一层很薄的肽聚糖，但脂肪层较厚，相反G+细菌的细胞壁含有多层肽聚糖，而脂肪却相对较少。这样，学生对G+和G—细菌细胞壁差别的认识就会十分深刻，为此后顺利开展革兰氏染色实验提供了理论基础。在介绍微生物代谢、遗传等较为抽象的知识内容时，教师可以合理采用示意图、动画等形式来进行讲解，将有效提高学生对知识的理解和掌握水平。例如，在微生物的遗传和变异一章中，笔者采用Flash动画演示了微生物遗传的经典转化实验即肺炎链双球菌感染小白鼠实验，使原本抽象难懂的概念和理论变为生动的画面，教学效果明显改善。事实上，国内外一些着名高校、环境微生物实验室的网站上和国外优秀原版微生物教材中有许多高质量的微生物图片、教学课件和研究成果，教师可以将其作为本课程的教学素材来加以使用，丰富教学内容，开阔学生视野。

(二）充分利用科研成果和工程实例

大学阶段的人才培养正日益与科学技术和社会生产的发展紧密联系，这就要求“环境工程微生物学”的教学要注重结合科学研究和工程实践，不断地加入新的科研成果和工程实例来说明课程的基本知识和基础理论。同时教师也不能脱离科学研究和工程实践而单纯地搞教学工作。只有长期参加科研实践的教师，才能使自已的教学内容更加具有前沿性、独创性和启发性，在丰富自己的教学内容的同时加深学生对知识的理解；也只有将教学与工程实践有机结合起来，才能更有效地激发学生的学习兴趣，培养学生解决实际问题的能力[4]。例如，笔者在教学过程中选取了微生物燃料电池研究中最新发现的细菌鞭毛充当“纳米导线”的现象作为背景材料，展开讨论，分析了细胞鞭毛的电子传递功能在物质转化和能量代谢中发挥的作用。这个例子在介绍微生物学知识的同时，很好地诠释了如何恰当地利用微生物的特性来解决环境问题和实现可持续发展。又如，通过介绍实际工程项目——煤气废水生物处理系统中活性污泥的驯化过程，说明了微生物遗传和变异的特性对于有毒有害工业废水处理的重要意义。

(三）改变传统教学模式

在当前大学教学中，课时的有限性与知识的增长性之间的矛盾日益突出，“环境工程微生物学”这门新兴的交叉学科尤为如此。所以，教师在授课时，应更加注重所介绍内容的质和量，将多而杂的信息进行疏理与归纳，并以更加灵活的方式传达给学生。这就要求教师在教学模式上进行变革，改变以往单一的注入式教学方法，采用多种方法有机结合的教学模式，将教师的主导作用和学生的主体地位相结合，从而在传授知识的同时提高学生的创新能力和综合素质。

研究表明，提问、引入和讨论等启发式教学方法比起传统的注入式教学模式更为吸引人，更能收到事半功倍的效果。一方面，启发式教学可以促进师生之间的互动，活跃课堂气氛，激发学生浓厚的学习兴趣；另一方面，启发式教学可以培养学生将书本知识应用于实际的思考和分析等综合能力。总体来讲，一些基础性知识的教学，可以以教师讲解为主，但讲解的内容要少而精，留一部分内容让学生自己去消化吸收。对于理解性的知识内容，教师要启发学生积极思考，有些问题要引而不发，导而不讲，让学生自己通过分析和总结来深化认识。此外，还应注意到高年级本科学生已经具有一定的自学能力，对于一些比较浅显的多门环境类课程反复涉及的章节内容或非核心知识单元，完全可以安排由学生自学来完成。例如，在讲解微生物在氮素循环中的作用时，笔者详细介绍了硝化作用、反硝化作用等生化反应过程及其影响因素，所以在讲解废水微生物的脱氮原理时，采取了“学生自学为主，教师组织讨论和总结”的教学方式。这种教学方式既节省了课时，同时又锻炼了学生的自学能力、认识能力和分析能力，为以后的科研创新打下基础。

四、实验项目和实验内容的挑选和设置

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【关键词】 光电子技术 光医学 光保健 学科现状 发展趋势

一 引言

生物医学光学与光子学是光学或者说光子学现展的一个分支学科。由于光学与光子学是具有极强应用背景的学科，所以“生物医学光子技术”这一多学科交叉的新兴研究领域在20世纪末叶也随之应运而生。

激光技术作为一项重大的科技成就，为研究生命科技和疾病的发生、发展开辟了新的途径，为保健和临床诊疗提供了崭新的手段,推动人类科学技术进入新的发展阶段。

可以把与光的产生、传播、操纵、探测和利用有关的物理现象和技术包括在内的科学及工程笼统地简称为光学。用光学最广的含义来概括各研究领域及其相关交叉分支时必然包括了激光和光电子技术。运用光学及其技术研究光与人体组织的相互作用问题可归之于“组织光学”范畴。它是研究光辐射能量在生物组织体内的传播规律以及有关组织光学特性的测量方法的一门新兴交叉学科，是光医学（光诊断和光治疗）的理论基础。经过40多年的发展，激光与光电子技术在人类的保健、医疗以及生命科学中产生了很大影响。

在医学领域，光电子技术使各种新疗法，包括从激光心脏手术到用光学图像系统的关节内窥镜进行微损膝关节修复等，成为可能或得以实现。目前，科学家们正致力于研究光学技术在非侵入式诊断和检测上的应用，如乳腺癌的早期探查、糖尿病患者葡萄糖的“无针”监控等。激光在医学上的最早应用虽然集中在治疗方面，然而在80年代初期起便开始了光诊断技术的探索。指望无损害地获得诊断信息是这些研究的驱动力之一，其中在物理学中高度发展的光谱技术有望在诊断医学中得到应用。利用光纤把光传输到身体内部的能力，可以完成膀胱、结肠和肺等器官的检查。随着医学诊断方法向无损化方向发展，利用光电子学技术对组织体进行鉴别和诊断，有可能更早期、更精确地诊断各种疾病。近年来，人们开始把这种诊断方法称之为“光活检”。

随着现代医学模式的转变、健康概念的更新以及人民生活水平的提高，从20世纪80年代后期起，“激光美容术”在世界各地包括在我国各大城市逐渐地开展。保健美容是光电子技术应用越来越活跃的领域。激光技术应用于美容外科的起步较早，使得一些在美容整形外科很棘手的疾病，如太田痣、血管瘤等治疗变得简易有效。到20世纪末，人们又开发了一种称为光子嫩肤术的新美容技术。它基于选择性的光热解作用，有效地改善肌肤的质地和弹性，达到美容的效果。之所以用激光或强脉冲光进行非消融性的嫩肤或治疗越来越流行，是因为这类手术具有无损、不必住院、几乎无副作用和无疼痛，从而使受术者容易接受的优点。

国家自然科学基金委员会先后二次在“光子学与光子技术”以及“生物医学光学”优先资助领域战略研究报告中分别指出：近年来生物医学光学与光子学的迅猛兴起，令人瞩目，并因而引发出一门新兴的学科－生物医学光子学（Biomedophotonics）。研究报告选定了近期优先研究领域包括生物光子学、医学光子学基础研究、医学临床的光学诊断和激光医学中的重要课题等诸方面。

福建师范大学在1974年成立了“医用激光及其应用技术”研究组，以激光与光电子技术为基础，围绕激光医学应用的核心技术开展研究与开发。至二十世纪九十年代，跟随该领域的国际走向，转入激光医学技术的基础理论研究工作，在国内率先开展了生物组织光学与光剂量学的研究。伴随研究工作的深入开展，逐步形成了我们有特色的若干前沿研究方向，并于2005年获准立项建设医学光电科学与技术教育部重点实验室。

二 国内外现状

光学在生命科学中的应用，在经历了一个缓慢的发展阶段后，由于激光与新颖的光子技术的介入，进入了一个迅速发展的新阶段。与光学有关的技术冲击着人类健康领域，正在改变着药物疗法和常规手术的实施手段，并为医疗诊断提供了革命性的新方法。特别在近十多年来，与蓬勃的学术研究活动相对应，国际上出现了专门的研究性学术杂志，如：Laurin 出版公司于1991年发行了“Bio-Photonics”新杂志。美国光学学会重要的会刊之一“Applied Optics”也于1996年将其“Optical Technology”栏目扩充为“ Optical Technology and Biomedical Optics”，并定期出版有关生物医学光学的论文专集。SPIE亦于1996年创办了期刊Journal of Biomedical Optics，且声誉日隆。到2004年，该刊的SCI影响因子已达3.541。当前，发达国家普遍对生物医学光子学学科给予了高度重视。例如，在美国国家卫生研究院（NIH）新成立的国家生物医学影像与生物工程研究所（NIBIB）中，生物医学光子学也成为其主要资助的领域。近三年中，美国NIH已经召开过4次研讨会，认为新的在体生物光子学方法可用于癌症和其它疾病的早期检测、诊断和治疗。新一代的在体光学成像技术正处在从实验室转向癌症临床应用的重要时刻。在NIH的支持下，美国国家癌症研究所（NCI）正在计划5年投资1800万美元，招标建立“在体光学成像和/或光谱技术转化研究网络（NTROI）”，其研究内容主要包括：光学成像对比度的产生机理、在体光学成像技术与方法、临床监测、新光学成像方法的验证、系统研制与集成等五个方面。2000年底，在美国NIBIB的首批支持项目中，光学成像方法约占30%。2000年7月，美国NIH投资2000万美元，开展小动物成像方法项目（SAIRPs）研究，受到生命科学界的高度关注，其中光学成像方法是研究重点之一。美国国家科学基金会（NSF）在2000-2002年了4次关于生物医学光子学研究（Biophotonics Partnership Initiative）的招标指南。“9.11”事件后，美国国防部启动了“应激状态下的认知活动”(Cognition under stress)项目，采用的研究方法就是光学成像技术。美国加州大学Davis分校于2002年10月宣布：未来10年内，将投资5200万美元建立生物医学光子学科学技术中心（The Center for Biophotonics Science and Technology），其中4000万美元由NSF支持。在学术交流活动方面，国际光学界规模最大西部光子学会议（Photonics West）上，每年的四个大分会之一即是生物医学光学会议（BiOS），论文均超过大会总数的三分之一，如，2003年关于BiOS的专题为19个，占整个会议的19/52=36.5%；2004年，IBOS会议专题为20个，占整个会议的20/55=36.4%。另外，每年还召开欧洲生物医学光子学会议。除疾病早期诊断、生理参数监测外，在基因表达、蛋白质―蛋白质相互作用、新药研发和药效评价等研究中，特别是近年来的Science, Nature, PNAS等国际权威刊物发表的论文表明，光子学技术也正在发挥至关重要的作用。在某些领域，如眼科，光学和激光技术已成熟地应用于临床实践。激光还使治疗肾结石和皮肤病的新疗法得以实现，并以最小的无损或微损疗法代替外科手术，如膝关节的修复。现在，用激光技术和光激励的药物相结合可治好某些癌症。以光学诊断技术为基础的流动血细胞测量仪可用于监测爱滋病患者体内的病毒携带量。还有一些光学技术正处于无损医学应用的试验阶段，包括控制糖尿病所进行的无损血糖监测和乳腺癌的早期诊断等。光学技术还为生物学研究提供了新的手段，如人体内部造影、测量、分析和处理等。共焦激光扫描显微镜能将详细的生物结构的三维图象展现出来，在亚细胞层次监测化学组成和蛋白质相互作用空间和时间特征。以双光子激发荧光技术为代表的非线性成像方法，不仅可以改善荧光成像方法的探测深度、降低对生物体的损伤，而且还开辟了在细胞内进行高度定位的光化学疗法。近场技术将分辨率提高到衍射极限以上，可以探测细胞膜上生物分子的相互作用、离子通道等等。激光器已成为确定DNA化学结构排序系统的关键组成部分。光学在生物技术方面的其它应用还包括采用“DNA芯片”的高级复杂系统，和采用传输探针的简单系统。激光钳提供了一种在显微镜下方能看见的一种新奇的、前所未有的操作方法，能够在生物环境中实现细胞或微观粒子的操纵与控制，或在10-12m范围内实现力学参数的测量。结合光子学和纳米技术已经可以探测细胞机械活动，揭示细胞水平上隐秘的生命过程，利用纳米器件甚至可以检测和操纵原子和分子，这可以应用在细胞水平的医学领域。高技术的进步，如：微芯片极大地加速了生物光子学的发展进程。集成电路、传感器元件和相连电路的小型化、集成化促使在体和体外测量分子、组织和器官图像成为可能。许多生物医学光子学技术已经在临床上应用于早期疾病监测或生理参量的测量，如血压，血液化学，pH，温度，或测量病理生物体或临床上有重要意义的生化物种的存在与否。描述不同光谱特性（如荧光，散射，反射和光学相干成像）的各种光学概念出现在功能成像的重要领域。从大脑到窦体再到腹部，精确导位和追踪，对于精确定位医疗仪器在三维手术空间的位置具有重要的作用。基于分子探针的光子技术可以识别发生疾病时产生的分子报警，将真正实现令人激动的、个人的、分子水平的医学。

我国的研究基础与条件虽然相对落后，研究投入不足，但生物医学光子学是一门正在兴起和不断发展的学科，在这一新兴交叉学科上国内外处于一个起跑线上。近年来，在国家自然科学基金委、省部委以及其它基金项目的资助下，我国在生物医学光子学的研究中取得了很大的进展，尤其是2000年第152次主题为 “生物医学光子学与医学成像若干前沿问题”、第217次主题为“生物分子光子学”的香山会议后，有许多学校和科研单位开展了生物医学光子学的研究工作，并初步建成了几个具有代表性的、具有自己研究特色和明确科研方向的研究机构或实验室，并在生物医学光学成像（如OCT、光声光谱成像、双光子激发荧光成像、二次谐波成像、光学层析成像等）、组织光学理论及光子医学诊断、分子光子学（包括成像与分析）、生物医学光谱、X射线相衬成像、光学功能成像、认知光学成像、PDT光剂量学、高时空谱探测技术及仪器研究等方面取得了显著的研究成果。发表了许多研究论文，申请了许多发明专利，有些已经获得产业化。国家自然科学基金委员会生命科学部与信息科学部联合发起并承办的全国光子生物学与光子医学学术研讨会已经举办了六届。这对我国生物医学光子学学科的发展起到了积极的推动作用。在我国近年所召开的亚太地区光子学会议中，有关生物医学光子学的内容已大幅增加，成为主要的研讨专题。我国的生物医学光子学研究和学术活动也方兴未艾，呈现与国际同步的态势。在基础研究、应用基础研究以及对新技术的掌握方面跟踪国际先进水平，但国内科研经费的投入相对较小，科研队伍规模不大，原创性的科研成果与国外有较大差距。和国外的发展水平相比，我国的生物医学光子学发展还存在以下问题：

（1）尽管从事生物医学光子学的科研单位很多，但取得突破性、创新性的研究成果很少，主要是由于我们的科研队伍在组织、组成上还不合理，过于分散、开展的内容繁杂，难以将有限的资金投入到一些有利于国计民生的及上水平的研究方向上；另外许多单位的研究重复，缺乏合作，导致水平低下；

（2）和国外相比，研究经费无论在绝对值还是相对值上均投入十分不够；

（3）缺乏研究成果产业化的引导机制。

三 医学光电科学与技术（福建师范大学）教育部重点实验室概况

“医学光电科学与技术”教育部重点实验室设立于福建师范大学物理与光电信息科技学院（激光与光电子技术研究所）内，作为本学科开展科研研究和实施建设与发展的一个基础平台。实验室已有30年发展历史，1973年成立福建师范学院物理系激光实验室，1984年成为福建师范大学激光研究所实验室，1995年为福建省首期211重点学科《应用光子学》学科实验室，2003年5月26日经福建省科技厅批准成立“光子技术福建省重点实验室”，2005年7月28日经教育部批准立项建设教育部重点实验室。实验室座落于福建师范大学长安山校园内。

30年多来，实验室在生物组织光学、医学光谱与光学成像技术、光诊断及光诊疗技术、信息技术光学及其生物医学应用等四个主要方向上努力开拓，承担并完成了数十项国家与省部重点、重大项目课题，取得一批代表我国本领域研究水平的科研成果，其中十五以来获省部级科技进步一等奖1项，二等奖2项，三等奖2项，其它省级以上奖励12项。在国内外重要刊物发表的论文以及被SCI、EI收录的论文均超过100篇。

实验室目前承担着国家与省级重要课题50余项，科研经费超过2000万元。其中国家自然科学基金项目11项，国家教育部、科技部、卫生部项目9项，福建省科技重大专项1项，其它省级重要项目近30项。

中科院半导体研究所原所长王启明院士任重点实验室学术委员会主任，副主任由黄尚廉院士和谢树森教授担任。另有九位国内外著名的激光、光电子与医学学科交叉的院士、专家或资深教授担任委员，其中海外委员两人。他们规划、指导并检查本学科实验室的建设与发展。

重点实验室主要学术带头人、实验室学术委员会常务副主任谢树森教授是中国光学学会副理事长、福建省光学学会理事长、国家有突出贡献的中青年专家、光学工程专业博导、全国劳动模范，是我国医学光电科学与技术领域的学术带头人与开拓者。实验室主任陈荣教授、副主任李晖教授均为国务院特殊津贴专家，实验室常务副主任陈建新教授来自于北京大学的优秀博士后研究员。重点实验室拥有稳定的可持续开展高水平科研的学术梯队，其中的中青年学术带头人或学术骨干包括1位闽江学者特聘教授、1位福建师范大学特聘教授、3位国务院特殊津贴专家、2位全国优秀教师、2位福建省优秀教师和15位博士。

重点实验室与国内外学术界建立了并保持着广泛的联系。重点实验室已设立面向国内外的开放课题基金。已批准并实施来自浙江大学、厦门大学、上海光机所、西安交通大学、华南师范大学、天津医科大学、上海市激光医学研究中心等单位知名学者的开放课题。

重点实验室已具备良好的科研软硬件环境。现有面积近5000平方米，仪器设备原值2500多万元。重点实验室各项管理制度健全。

“医学光电科学与技术”重点实验室，在我国现代科学技术领域特色鲜明，在我国相关学科处于领头地位，有较大影响。重点实验室建设将有力促进福建省科技创新能力建设，促使福建师范大学迅速向高水平、有特色、开放型的综合性大学迈进。同时，重点实验室的建设与发展将有力促进我国医学光电科学与相关学科的发展，为广大民众的身心健康，为海峡西岸的科技、社会与经济发展做出重大贡献。

四 发展趋势和展望

光子学及其技术已广泛应用或渗透到生物科学和医学的诸多方面，被科学界所认同和重视。生物医学光学已经成为国际光学学科重要发展方向之一。生物医学光子学的发展，将为现代医学和生命科学带进崭新的时代。本学科的发展将继续体现了多学科交叉的特点，研究领域涉及到了生物学、医学、和光学，还有化学等不同大学科的方方面面。技术开发与临床应用研究的结合将越来越密切。一般认为，光学领域未来发展的重点是将各种复杂的光学系统和技术更加广泛地应用于保健和医疗。当今世界中,与光子学有关的技术冲击着人类对生命体的认知及人类健康领域。基于现代激光与光电子技术的生物医学光子学技术将为生命科学研究带来具有原始性创新的重要科研成果，并可望形成有重大社会影响和经济效益的产业。

在医学领域，光子学技术正在改变着药物疗法和常规手术的实施手段,并为医疗诊断提供了新方法。在某些领域,如眼科,光学和激光技术已成熟地应用于临床实践。激光还使治疗肾结石和皮肤病的新疗法得以实现,并以无损或微损疗法代替外科手术,如膝关节的修复。现在,用激光技术和光激励的药物相结合可治好某些癌症。以光学诊断技术为基础的流动血细胞测量仪可用于监测爱滋病患者体内的病毒携带量。还有一些光学技术正处于无损医学应用的试验阶段,包括控制糖尿病所进行的无损血糖监测和乳腺癌的早期诊断等。

在基础研究方面，研究重点在于从细胞，甚至是亚细胞尺度层次揭示病变组织与正常组织之间的差异，为新技术开发以及应用提供理论依据。另一方面，研究光与人体组织之间的相互作用以及所产生的光化学、光热和光机械效应。在技术的应用方面，研究重点转向比较各种技术中光源（相干光源/非相干光源、波长、功率密度、偏振性、连续/脉冲光源、脉冲持续时间等）和个体差异（年龄、性别、临床症状、发病史、发病时间等）对诊断或治疗结果的影响，在确定各种技术临床适应症的同时，进一步实用化各种技术。此外，还在不断开发新的实用于不同疾病的诊断、治疗和监测技术。

值得关注的是，国外从事“生物医学光学”领域研究的高校或研究机构中，来自大陆的中国学者的数量越来越多。这有助于使国内外的学术交流更加有效，并可以预期国内与国外在该领域的研究水平差距将不断缩小。

今后若干年内医学光电科技学科需关注的重大科学问题和优先研究领域如下：

（一）医学光子学基础

在组织光学方面，其中最主要的有光在组织体内传播的特殊方式、组织光学性质的描述以及有关实验技术的开发和完善等。组织光学是医学光子技术的理论基础。光在生物组织中的运动学（如光的传播）问题和动力学（如光的探测）问题是研究的主要内容，目的是要研究生物组织的光学性质和确定某靶位单位面积上的光能流率。应优先解决测量技术和实验精度的问题，利用近场光学显微技术、光镊技术测量活体组织的光学参量。在理论建模方面，建立生物组织中光的传输理论和数值模拟方法。具体开展的研究工作应包括：1）光在生物组织中传输理论：要用更复杂的理论来描述生物组织的光学性质以及光在其中的传播行为。建立准确的组织光学模型，使之能反映生物组织空间结构及其尺寸分布情况、组织各个部分的散射与吸收特性以及折射率在一定条件下的变化情况；改造传输方程，使之适应新的条件，并能在某些情况下求出光在生物组织中传输的基本性质。2）光传输的蒙特卡罗模拟：继续开发新的更为有效的算法以适应生物组织的多样性和复杂性的要求。除了了解光在组织中的分布，还在探索从大量数字模拟中得到生物组织中光的宏观分布与其光学性质基本参量之间的经验关系。另外，发展非稳态的光传输的蒙特卡罗模拟方法也是一个重要的研究方向，从中可以获得比稳态条件下更多的信息。

组织光学参数的测量方法和技术方面，尚未获得人体各种组织的可靠实验数据。发展和完善活体的无损检测尤为重要。在这方面，时间分辨率与频率分辨率的测量方法引人注目。

（二）医学光子学光谱诊断技术

医学光子学光谱（非成像）诊断技术实质上是利用从组织体反射、散射、发射出来的光，经过适当的放大、探测以及信号处理，来获取组织内部的病变信息，从而达到诊断疾病的目的。

生物组织的自体荧光与药物荧光光谱技术，内容涉及光敏剂的吸收谱、激发与发射荧光谱以及各种波长激光激发下正常组织与病变组织内源性荧光基团特征光谱等。现在人们所谓的特征荧光峰实际上只是卟啉分子的荧光峰。客观和科学地判断激光荧光光谱对肿瘤的诊断标准是十分必要的。目前，某些癌瘤的药物荧光诊断已进入临床试用，自体荧光的应用尚处于摸索之中。需要开展激光激发生物组织和细胞内物质的机理研究，探讨激光诱发组织自体荧光与癌组织病理类型的相关性以及新型光敏剂的荧光谱、荧光产额和最佳激发波长等方面的研究，以期获得极其稳定、可靠的特征数据，为诊断技术的发展提供科学依据。

近年来，拉曼光谱技术应用于医学中已显示出它在灵敏度、分辨率、无损伤等方面的优势。应开发并完善重要医学物质拉曼光谱数据库，并使基于拉曼光谱分析的小型、高效、适用于体表与体内的医用拉曼光谱仪和诊断仪将在医学临床获得更广泛的应用。

超快时间分辨光谱比稳态光谱在技术上更灵敏、更客观和更具有选择性。因此，将脉宽为ps、fs量级的超短激光脉冲光源用于医学受到广泛重视，其一，应发展超快时间分辨荧光光谱技术，用于测量生物组织及生物分子的荧光衰变时间，分析癌组织分子驰豫动力学性质等，为进一步研究自体荧光法诊断恶性肿瘤提供基础数据；其二，应发展超快时间分辨漫反射（透射）光谱技术。以时域的角度测量组织的漫反射，从而间接确定组织的光学特征。这是一种全新的、适用于活体的、无损和实时的测量方法，为确知光与生物组织的相互作用，解决医学光子学中基础测量问题开辟一条新径。

（三）医学光子学成像诊断技术

发展出具有无辐射损伤、高分辨率、非侵入、实时、安全的光子学成像诊断技术，并具有经济、小型、且能监测活体组织内部处于自然状态化学成分等特点的医疗诊断设备。主要的医学光子学成像诊断技术包括：

超快时间分辨成像技术：以超短脉冲激光作为光源，根据光脉冲在组织内传播时的时间分辨特性，使用门控技术分离出漫反射脉冲中未被散射的所谓早期光，进行成像。正在研究的典型时间门有条纹照相机、克尔门、电子全息等。

散射成像技术：包括光子密度波散射层析成像、组织深度光谱测量以及复合成像等，利用红外光源，光子密度波在生物组织中的穿透深度可达几个毫米，在低散射的人脑组织中甚至可达30mm。

红外热成像：红外热成像是利用红外探测器测量人体和动物的正常与病变组织的温度差异来诊断病变及其位置，现已在医学诊断中得到广泛的应用，如乳腺肿瘤的诊断。

光学相干层析成像技术：一种非侵入式无损成像技术，并且可以与显微镜、手持探针、内窥镜、医用导管、腹腔镜等相结合使用，从而具有广阔的应用领域。而且，OCT能进行众多功能成像，如分光镜OCT、多普勒OCT、偏振OCT：也可以与众多成像技术结合使用，如荧光、双光子、二次谐波成像等技术。

荧光寿命成像：受超短光脉冲激发后，荧光团，包括自体荧光团如NADH、FAD等和外源荧光团，如有机荧光染料、荧光蛋白等，所发出荧光的寿命取决于荧光团的分子种类及其所处的微环境，如pH、离子浓度（如Ca2+、Na+等）、氧压等，因此荧光寿命的测量和成像，有助于提供生物组织的功能信息。和内窥镜结合，可用于胃癌、食道癌等疾病的早期诊断，是一种很有前途的具有高灵敏度、高特异性以及高诊断准确性的早期癌症诊断方法。

光声作用成像：利用超声场在生物组织中的优良传输特性和激光在生物组织中的选择性吸收特性,将超声定位技术和光学高灵敏度检测技术结合,以实现无损伤临床医学的结构和功能层析诊断。预期成像深度远好于目前的光学成像方法,对于较厚生物组织成像及临床应用特别具有吸引力,可为及早发现一些特殊病变提供一种无损、有效、高准确度的方法。

非线性光学成像：双光子激发荧光显微成像、二次谐波等成像技术由于具有三维高空间分辨率，对比度高、对生物组织的损伤小等优点，研究工作重点是扩展成像技术在生物医学领域的应用范围，重点解决研制小型化内窥型诊断设备所面临的相关技术问题。

人体经络的光学表征及其调控功能：已经用不少事实证明了经脉循行路线的现象，也初步显示了人体体表沿十四经脉路线存在的红外辐射轨迹。然而，至今未能用西医的形态学或生理学方法证明它的存在，也不能明晰地阐明“经络”的实质。可以利用已发展的生物医学光子学诸多成像技术为工具，研究这个具有中国特色的中医学中的重大问题。

4.医用激光治疗技术（激光医学）

强激光治疗：是当前激光医学中最成熟和最重要的领域。随着新型医用激光器的不时出现，如：钛激光、铒激光、准分子激光等，强激光治疗技术的临床用途也逐渐增多，提出一些新的问题。关于这些新型激光器及新的工作方式对人体组织的作用特点的认识还相对不足，基本没有适合国人组织特性的治疗参数。为此需加强研究激光与生物组织间的作用关系，特别是在诸多有效疗法中已获得重要应用的激光与生物组织间的作用关系；研究不同激光参数（包括波长、功率密度、能量密度与运转方式等）对不同生物组织、人体器官组织及病变组织的作用关系，取得系统的数据，同时也有必要加强新型激光器及新的工作方式的临床适应证的研究。

低强度激光治疗：非热或低强度激光辐射可作为一种辅助治疗手段，其作用机理尚不清楚。对弱激光治疗机理的认识有待于整个基础医学的提高，如充分认识细胞基因表达与调控、细胞代谢的调控、免疫反应的调控等，同时还需研究不同弱激光剂量对这些调控的影响，这才能提高弱激光治疗的针对性和疗效。针对目前临床上盲目夸大疗效、照射剂量严重混乱的局面，建议重点扶持2-3个弱激光研究中心，集中财力与人力进行弱激光的细胞生物学效应研究；弱激光生物调节作用和细胞生物学现象（基因调控和细胞凋亡）的量效关系、弱激光镇痛的分子生物学机制以及弱激光与细胞免疫（抗菌、抗毒素、抗病毒等）的关系及其机制。寻求弱激光生物刺激效应的可能机制与量效关系；规范临床治疗参数与操作等。

光动力学治疗（PDT）是当前激光医学中最具活力且发展迅速的领域。光动力疗法具备了诊断和治疗肿瘤、心脑血管病等人类重大疾病的潜力。光动力疗法在鲜红斑痣、老年性眼底黄斑病变、某些顽固性皮肤病、类风湿性关节炎等常规手段难以奏效的良性疾病的治疗研究中取得一系列进展，并结合内镜技术的发展等，其应用领域得到很大的延伸和扩展。这些都说明发展光动力疗法具有重要的社会和经济效益。应当重点资助PDT相关产品的国产化，扶持新一代国产光敏剂的开发及相应激光器的产业化，资助新一代光敏剂光动力学治疗的机理研究。作用机理、光动力疗法各要素对光动力学效应的影响、建立数学模型、新型光敏剂光动力学效应的研究，为开拓光动力疗法新的应用领域取得系统的数据。

激光美容与光子嫩肤术：利用激光或强脉冲光照射皮肤后的选择性光热解效应，即靶组织（病灶）和正常组织对光的吸收率的差别，使激光在损伤靶组织的同时避免正常组织的损伤这一原则，达到去皱、去文身、脱毛和治疗各种皮肤病或达到美容的效果。

五 结论

医学光子学及其技术的学科发展，对生命科学有重要且积极的意义。在医学领域，将为解决长期困扰人类的疑难顽疾如心血管疾病和癌症的早期诊治提供可能性，从而提高人类的生存价值和意义，其中的重大突破将起到类似X射线和CT技术在人类文明进步史上的重要推动作用，在知识经济崛起的时代还可能产生和带动一批高新技术产业。

参考文献

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〔16〕 Hongqin Yan, Shusen Xie, Hui Li et al. Optical imaging method.

课题组成员：

1.谢树森：教授、博士导师，中国光学学会副理事长，福建省光学学会理事长

2.李 晖：福建师范大学 医学光电科学与技术教育部重点实验室

3.陈 荣：福建师范大学 医学光电科学与技术教育部重点实验室