細胞生物學的研究領域范文

導語：如何才能寫好一篇細胞生物學的研究領域，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

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1 當代大學生的生物科學素養現狀及其存在問題

生物相關專業的學生對生物科學技術具有濃厚的興趣,生物科學技術基礎知識扎實,對生物技術發展持積極的肯定態度,具備良好的科技強國的信念。但是,他們對高新生物科學技術知識和先進實驗技術了解較少,生物科學實驗實踐技能較差,對生物科學科研精神的理解和研究方法的掌握不足。有調查表明,當代大學生對于當前的一些生物熱點問題有一定的了解,但是對于高新技術的應用和新的科學研究領域的認識不足。在理性上,有43%的學生是盲目的懷疑,或者是盲從專家和他人的觀點,對事物較少有自己的看法;在探索求知精神上,“科學功利主義”對學生的影響最大,使得學生視野狹窄、目光短淺;在實證精神上,有62%的學生缺乏實驗實證精神,偏重抽象思維,缺乏科學實驗的精神和價值眼光。②此外,許多高校只注重生物專業課的常規教學,很少舉辦專門的科研活動,且科學技能培養與鍛煉的途徑缺乏,這使得大學缺乏濃郁的科學素養氛圍,學生較難形成一定的科學技能,由此科學實踐能力也較差。

2 細胞生物學教學中培養科學素養的意義

細胞生物學是生物學類及農林醫藥類本科生一門必修的專業基礎課,是現代生命科學的前沿分支學科之一,它是以細胞為研究對象,從細胞的整體水平、亞顯微水平、分子水平等三個層研究細胞和細胞器的結構和功能、細胞的生活史和各種生命活動規律的學科。細胞生物學是一門承上啟下的學科,和分子生物學一起同是現代生命科學的基礎,并廣泛滲透到遺傳學、發育生物學、生殖生物學、神經生物學和免疫生物學等的研究中,和農業、醫學、生物高新技術的發展有密切的關系,是生命科學的重要支柱之一,在解決人類面臨的重大問題、促進經濟和社會發展中發揮重要的基礎作用。同時,細胞生物學又是一門實踐性很強的學科,重要理論與實踐密切地聯系著。隨著生命科學自身和生物產業的快速發展,對生命科學相關領域創新型人才的需求也在不斷增加。由此可見,細胞生物學課程中科學素養的培養對于建立與其專業層次、研究方向相符合的細胞生物學知識構架體系,培養和鍛煉學生的科學思維能力具有非常重要的作用。

3 細胞生物學教學中如何培養學生的科學素養

細胞生物學作為生物學類及農林醫藥類的一門專業基礎課程,在培養學生的科學素養方面,具有舉足輕的重要作用。然而,科學素養的提高不是一朝一夕之功,教師應始終將其貫穿于自己的教學之中。如何在細胞生物學教學中培養和提高學生的科學素養,以下是筆者的一些想法和體會。

3.1 加強課堂教學中的“生活化”融合

? 細胞生物學的知識理論性強,內容抽象深奧、難于理解,教師可以試將抽象的內容與日常生活相聯系,使學生有此聯想起有趣的、熟悉的生活場景或事物,這不僅使抽象的內容具體化和動態化,使其容易理解,而且激發了學生的探究欲望和學習興趣。例如講解“蛋白質的分選”時,引導學生由細胞社會聯想到人類社會。細胞中的各種蛋白質發揮結構或功能作用的部位幾乎遍布細胞的各種膜區和組分,只有當蛋白質各就各位并組裝成結構和功能復合體,才能參與細胞的各種生命活動。這就好比在人類社會中,各專業的畢業生只有找到適合其自身特點的工作崗位才能發揮所長。總之,運用發散性思維,盡可能地將細胞生物學抽象的理論知識與生活實際聯系起來,并配合以多媒體輔助手段,使抽象的內容變得形象生動,易于理解掌握。

3.2 側重教學內容的前沿性和新穎性

細胞生物學發展極為迅速,隨著科學家們研究成果的不斷涌現,其內容處在不斷更新的動態過程中。因此,教師在教學過程中,要注重聯系學科的前沿和熱點,講述較先進的科學結論,跟蹤國際上最新進展。此外,教師在注重教學的同時,宜以科研并舉,以科研引導和促進教學;教學與培養科學研究型人才緊密結合;教學內容與最新科研進展同步,使學生在正確掌握細胞生物學基礎上學會解決與之相關的科學研究問題。如將教師的主要科研成果與基礎理論教學有機結合,結合教學內容介紹自己的科研成果,這樣既生動又貼切,學生又很熟悉,使學生獲得學習的興趣和動力,亦可以啟發學生的創新思維能力,培養學生的科研鉆研精神。

3.3 增加細胞生物學實驗綜合性和設計性實驗的比例

綜合性實驗注重知識的綜合運用,實驗原理和方法步驟較為復雜,可以使學生更好地理解實驗原理,正確使用儀器設備,鍛煉學生綜合分析問題的能力;設計性實驗是指學生根據實驗項

目,自主設計實驗方案,自主準備實驗材料,自主配制實驗所需試劑,根據自己的時間自主安排實驗進程,設計性實驗可以充分調動學生的實驗積極性,培養學生的創新思維和勇于探索的精神。由此可見,綜合性和設計性實驗可以鍛煉學生綜合分析問題和解決問題的能力。③然而目前許多高校由于實驗條件和課時安排的限制,細胞生物學實驗主要以基本操作和驗證性實驗為主,綜合性和設計性實驗較少甚至沒有,這在一定程度上限制了學生綜合素質和創新思維的培養。④因此,教師應根據科學性、可行性和實用性原則增大綜合性和設計性實驗的比例。如我們精選了真核生物基因組的提取、純化、鑒定、擴增、酶切、重組、轉化、篩選的大實驗,膜蛋白的分離與鑒定等綜合設計型大實驗,這些實驗中的每個實驗都構成了一個綜合性整體,同時,在實驗材料的選擇上盡量做到由學生自主選擇。通過每一次的綜合設計實驗,使學生進一步鞏固了已學習的知識和已掌握的技術,并能夠對實驗結果進行合理的正確的資料采集、整理、分析和歸納,有效地培養了學生的科學素質、科學精神、創新思維及分析問題和解決問題的能力。 3.4 組織各種“科學小組”,布置學科發展前沿的討論,與全程科研訓練對接,以培養學生的科學態度和科學精神

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Stem Cell and Tissue

Engineering

2011，448pp

Hardback

ISBN9789814317054

Song Li編著

關于干細胞和組織的工程技術是細胞生物學基礎研究向應用轉化的一個重要方面。2000年以來，這一領域取得了突飛猛進的發展。諸如細胞重編程機制、誘導性多能干細胞（iPS）、仿生材料的更新換代等等，組織工程逐步向器官工程邁進。現在組織工程在皮膚、軟骨等方面已有產品面世。中國在這一領域處于世界前列，例如第四軍醫大學的皮膚組織工程、南通大學的神經損傷修復、上海交通大學的軟骨組織工程等研究已經走在前沿。

本書分為20章：1. 組織工程：生物學基礎研究到細胞的應用研究；2. 體細胞重編程的進展和展望；3. 造血干細胞；4. 間充質干細胞與組織再生；5.間充質干細胞用于組織修復時的傳送介質；6. 干細胞與心臟組織工程；7. 心血管系統：干細胞與組織工程血管；8. 干細胞與血管再生：工程學方法；9. 干細胞與傷口修復；10. 軟骨組織工程：從相容性材料到小分子聚合物；11. 用于關節軟骨組織工程的成體干細胞；12. 干細胞與椎間盤修復；13. 骨骼組織工程：進展與展望；14. 基于干細胞的口腔骨骼重建；15. 用干細胞修復損傷脊柱的治療策略；16. 神經干細胞和組織工程的前景與神經退行性疾病的研究和治療；17. 干細胞工程中的高通量篩選系統；18. 微尺度技術與組織工程和干細胞分化研究；19. 用自體細胞和組織進行治療時的質控；20. 干細胞治療技術的管理與挑戰。

本書3位主編在這一領域潛心研究多年。Song Li（UC Berkeley）研究領域是間充質干細胞；Nicolas L'Heureux （Cytograft Inc）專長是干細胞研究的管理和法律法規；Jennifer Elisseeff （JHU）專長是軟骨的組織工程學。

本書各章由干細胞領域的資深專家精心撰寫，匯總了這一領域的最近進展和前景展望。適合細胞生物學、組織工程、干細胞、生物材料學、科技管理領域的專家學者和研究生閱讀。

魏玉保，

博士生

（中科院遺傳發育所）

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經濟的迅猛發展帶動科技的日新月異，網絡技術與通信技術發展迅速，微信、微博等交流媒介成為大眾知識共享的傳播平臺，而微課作為教學中的創新也備受關注，作為對傳統教學模式的顛覆，其更注重教學效率的提升與教學質量的理想化。伴隨移動學習時代的到來，微課使得當前學校教育及社會教育都發生了顯著的變化。但是我們應該看到，時代催生的網絡視頻也帶有某種弊端性，難以真實有效地滿足各個層面的學習需求[1]。焦建利教授提出：傳統的課堂實錄視頻資源已經難以實現互聯網時代人們注意力模式的匹配，因此傳統的教學方式也很難滿足師生教與學的需求。

 

加上網速及寬帶的硬性限制，教學資源周轉率低，優秀教育教學資源被無形浪費。基于這樣的背景，微課誕生，吸取了傳統教學視頻的弊端教訓，更注重主題的突出明確，更具有針對性與服務性，在內容設置上也趨于短小精悍，實現了自由補充與延伸[2]。對于生物細胞學科教學來說，實驗是教學的關鍵，在教學中發揮著重要的作用。不可否認的是生物學作為生命科學的前沿學科之一，無論是實驗技術方法還是理論知識闡述都實現了深度的提升與廣度的延伸，逐漸實現與遺傳學、分子生物學及發育生物學的學科融合，逐漸在生命科學研究領域占據主導[3]。因此，實現微課與細胞生物學實驗教學的結合，對學生創新能力與獨立思考能力的培養逐漸成為生物實驗教學關注的焦點，成為細胞生物學實驗教學改革的要務。

一、微課簡述

 

1.微課的起源。微課最早由美國愛荷華大學LeRoy A. McGrew教授提出，初衷是針對化學課程總結的60秒概述，設置了三大主體部分，分別為總體介紹、解釋說明及舉例分析。后來英國學者T.P.Kee在此基礎上提出了一分鐘演講，所謂的一分鐘演講就是突出演講的精練傳神，要求具有縝密的邏輯結構及真實生動的案例闡述。在經過上述兩個階段的發展后，微課由美國新墨西哥州圣湖安學院大衛.m.彭羅斯提出并創建實施。其包括15到30秒的介紹及結論，服務與上文的關鍵概念導引。然后錄制上述內容并限制時間為3分鐘內，在微課程指引下提出書面作業要求，學會借助課外閱讀或者實踐活動完成關鍵知識的學習。目前最具代表性的當屬Educause的微課理念，不是指微觀學習中的微內容，而是以建構主義學習理論為支撐的在線教學或格式化教學中的教學實際。

 

2.我國微課發展現狀。我國微課依然是新興事物，起步晚，發展相對緩慢，目前涉及領域也有部分處于空白。基于微課的發展現狀，當前學術界也未就微課理念達成共識。學者焦建利[4]認為，微課是對某一知識點的集中闡釋，主要特點就是短小精悍，在線教學視頻是其主要表現形式。學者祝智庭[5]則認為微課應該就某個教學主題展開延伸，組織精細化的課堂教學設計，時間限度最好控制在10分鐘以內。而學者胡鐵生[6]則認為微課程注重的是視頻的微小，因此在針對單一學科或者單一知識點組織教學時應注重教學情景的融入，突出在線學習與自由學習。這一概念也逐漸被大眾所認可。資源建設方面，我國微課也尚未成型，目前的應用研究還相對零散，評價模式也有待完善。實現微課程的規范化發展還有很長的路要走。

 

二、細胞生物學實驗教學存在的問題

 

1.內容更新緩慢，亟待加強。我國的細胞生物學實驗教學一直處于教學滯后階段，僅僅作為理論教學的補充或者教學附屬而開設，缺乏關注上必然影響教學的創新與跟進，加上該實驗教學項目單一化趨勢嚴重，時代氣息不足，技術手段及知識的綜合運用十分缺乏，內容更新十分滯后。

 

2.教學方式單一化，學生自主性不足。細胞生物學實驗的基本流程就是提前由教師準備好實驗材料、實驗儀器及實驗試劑，學生在教師的示范引導下按部就班地進行實驗操作，整個操作過程趨于程式化、簡單化。學生不僅無法在實驗準備階段有所參與，更挫傷了學生創新與研究的積極性。

 

3.教學方法貧乏，缺乏對學生創新能力培養的關注。傳統的細胞生物學實驗教學受有限的教學時間的限制，因此實驗內容與要求也大多提前限定，教師單純地演示講解，學生被動地參與學習，雙方互動交流不足，教師也無法引導學生進行實驗的創新。

 

4.教學技術陳舊，現代教育技術參與較少。細胞生物學作為生物教學的前沿學科，理應注重教學的創新，特別是積極加入現代教育技術的創新元素，以信息技術為核心推動實驗教學。但是我國細胞生物學的教學現狀卻是現代教育技術十分欠缺，傳統實驗教學維度單一化趨勢嚴重。

 

三、微課在細胞生物學實驗中如何應用

 

1.微課的特性和優勢，傳統多媒體教學的弊端：伴隨多媒體技術的迅猛發展及教學融入，部分教師開始嘗試運用多媒體輔助教學，但是當代大學生自由散漫的個性也成為多媒體輔助教學實施的制約因素，學生難以集中精力聽取教師講課，精品的視頻資源難以得到高效率的運用。應用于課后學習的視頻資料也難以受到學生的關注與重視，多數處于閑置。微課則突破了視頻教學的局限，具有普通視頻教學資源不具備的教學優勢。首先，其教學內容濃縮，教學時間較短，借助移動端操作更為便捷，學生學習積極性顯著提升。其次，其教學主題十分明確，學生能夠迅速找到自己感興趣的點，從而獲得啟發教育或者延伸學習。最后，微課視頻的教學容量相對較小，符合學生的接受能力，學生更積極主動地參與到微課學習中去。

 

2.細胞生物學微課設計，把握10分鐘原則：注意力10分鐘。10分鐘內有明確的教學目標，內容短小，集中說明一個問題的小課程。微課設計ADDIE模型：A，分析;D，設計;D制作;I應用;E，評價。通常來說，微課設計要想保證自身的完整性必須具備6個基本環節，分別為教學主題的明確、前段分析、微課基礎知識點的切割與劃分、微課資源要素的重點設計、微課視頻錄制及后期加工處理、微課的最終終端輸出與展現。6個環節緊緊相扣，推動微課的高效開展。

 

四、微課引入實驗教學的意義與應用前景

 

微課具有廣闊的教育應用前景。2011年，手機將取代個人電腦成為個人信息中心。學生自帶設備BYOD，包括個人電腦、手機、上網本、平板等越來越普遍化。這為微課的實施提供了必備的硬件前提。調查中發現，84.44%的被調查者認可微視頻在微課教學中的核心地位與作用，并且70%以上的人認為配套的教學設計與課件也是不可忽視的部分。縱觀當前的教育改革，多數一線教師已經充分認識到微課教學的魅力與優勢，開始在課堂教學中嘗試微課教學。其中范福蘭等人在基于交互式微視頻教學資源教學應用效果的調查顯示，70.5%的學生認為交互式微視頻資源能夠激發他們對課程學習的興趣，單一的圖文及音視頻資源則受關注度一般，這也從側面說明隨著流媒體技術的發展成熟，微視頻的教學前景將是廣闊而光明的。

 

五、一些值得思考的問題

 

1.有關微課適用性，微課程在全國范圍內展開，帶來教學思想、教學模式的重大轉變，各個領域、各種培訓、不同學科對于微課程應用的嘗試存在“泛用”、“濫用”現象。微課程適用于哪些領域、哪些課程、哪些內容以及熒光怎樣設計、怎樣制作、怎樣使用才是最科學合理的成為今后科學研究的新課題。

 

2.細胞生物學實驗微課應用存在問題，我國針對該專業的微課理論研究及實踐演練依然不足，多數高校在微課開展實施的過程中存在建多用少的資源浪費現象。因此必須將微課作為校本研修資源，對其加強引導宣傳，讓教師認可微視頻教學的優勢并拓展專業發展的新途徑。此外微課程應奠定創新型教學模式的資源基礎，以期為學生提供更實用的教學資源，做好教學輔助。當然微課作為新興教學理念，應該在移動學習與泛在學習的基礎上實現教學需求與教學實踐的同步發展，最大限度提升微課程的開展利用率。

 

六、總結

 

微課作為新興的教學模式理應受到關注，了解微課的本質內涵，在梳理其優勢與缺陷基礎上綜合當前的運用實際，科學預測并規劃后期發展，實現微課在設計開發與應用上的創新完善。本文就微課教學的幾點問題進行了歸納分析，以期為微課教學的拓展應用提供有效思路，讓微課的魅力更多地展現出來，服務于高校教學。

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關鍵詞：誘導性多潛能干細胞（iPS細胞）；誘導性細胞；細胞治療

中圖分類號：Q813 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）05-0993-05

將已分化的體細胞重編程為類胚胎干細胞樣細胞的技術完成于2006年。Takahashi等[1]通過外源表達一組選擇性的轉錄因子導入成體小鼠成纖維細胞，最終確定最少有4種轉錄基因組合――Oct4（也稱Pou5f1、Oct3/4）、Sox2、Klf4和c-Myc可將成纖維細胞重編程為誘導性多潛能干細胞（iPS細胞）。從此iPS細胞的研究開始成為干細胞研究領域的熱門，并且iPS細胞的來源也越來越廣泛。利用iPS細胞誘導技術將終末分化細胞先誘導成iPS細胞，再進一步誘導成具有特定功能的細胞，如神經細胞，心肌細胞等，稱為誘導性細胞。時至今日研究者已經開始嘗將iPS細胞應用于臨床治療。

1 誘導性多潛能干細胞的研究進展

從iPS細胞誕生之日起，iPS細胞的研究就成為細胞研究領域的熱門。起初，研究者誘導iPS細胞時，iPS細胞的誘導效率極低，而且他們用的是4個轉錄因子Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc，其中c-Myc還具有一定的致癌作用。后來經過科學家們的不斷嘗試，開始用小分子化合物、miRNA、mRNA或蛋白質等導入細胞來誘導iPS細胞[1-6]，轉錄因子的個數也從4個減少到1個，甚至只用小分子化合物等物質來誘導iPS細胞[7-9]。近年來iPS細胞研究取得了突破性進展，如建立了人類疾病特異的iPS細胞，借助鋅指核酸酶和轉座子等介導的轉基因技術高效制備了無病毒的iPS細胞[10-13]。

從2007年Takahashi 等[2]和Yu等[3]先后將人的體細胞重編程為iPS細胞開始，多種人類成體干細胞被重編程為誘導性多潛能干細胞，但是直到2013年Trokovic等[14]才將人類骨骼成肌細胞重編程為iPS細胞，他們通過逆轉錄病毒載體（圖1）或仙臺病毒載體介導目的基因的異位表達，在無飼養層且含有適宜的培養基條件下，可以使人類骨骼成肌細胞達到和人類成纖維細胞一樣的重編程效率，再加入組蛋白脫乙酰酶抑制劑丙戊酸鈉（VPA）、丁酸鈉（NaB）和ALK4/5/7抑制劑SB431542（SB），能明顯提高人類骨骼成肌細胞重編程為iPS細胞的誘導效率。

到目前為止，除了人之外，小鼠、大鼠、猴子、綿羊、豬的iPS細胞系均已建立[15-19]。

iPS細胞研究的意義重大，它不僅為多潛能干細胞[20]的獲取提供了新的途徑，而且避免了傳統胚胎干細胞研究中存在的倫理問題，同時還解決了免疫排斥反應問題，為細胞的體外培養和誘導提供了平臺（圖2），使人們在細胞和分子水平上研究人類多種疾病及其發病機理成為可能（圖3），也為相應藥物的研發提供了便利。正是由于iPS細胞技術使得整個細胞生物學研究發生了質的飛躍，所以Yamanaka榮獲了2012年的諾貝爾醫學獎。當然，目前iPS細胞的發生機制還不是十分明確，還有待深入了解，iPS細胞的誘導效率仍然很低，整個誘導過程相對繁瑣，費用比較昂貴，達到商業化、大眾化應用的地步還有些遙遠，這一切都有待進一步研究和開發。

2 誘導性細胞的研究進展

利用iPS細胞誘導技術，通過導入特定的轉錄因子組合，再加入一些小分子化合物等物質，將終末分化細胞先誘導成iPS細胞，再進一步誘導成具有特定功能的細胞，如神經細胞、心肌細胞等，稱為誘導性細胞或誘導細胞。到目前為止，已經在多種具有重要功能的細胞上誘導成功[21-23]。

2.1 誘導性造血和血管祖細胞

Park等[21]在改進的無飼養層的內皮培養條件下，利用了一組重組生長因子[骨形態發生蛋白4（BMP4）、血管內皮生長因子（VEGF）和纖維母細胞生長因子2（FGF2）]的最適組合，然后在成分明確的內皮細胞生長培養基（EGM-2）中附著低密度培養，用人類胚胎干細胞和人類誘導多潛能干細胞培育出大量的CD34+CD45+造血祖細胞（表1）。這些造血祖細胞出現在附著于內皮或基質的細胞層周圍，從某種意義上來說，這種方式與體內胚胎生血內皮的造血方式類似。雖然之前已經證實由成纖維細胞衍生而來的hiPSC細胞系并不具備有效分化為造血內皮的能力，但是這個培養體系能夠使hiPSC具有和hESC一樣分化為造血內皮的能力。這個有效的分化體系可用于直接延時攝像和造血發生過程的時間進程研究等。

2.2 誘導性神經細胞

Kuo等[22]在由海藻酸和多聚γ-谷氨酸（γ-PGA）以及表面神經生長因子構成的水凝膠中將iPS細胞誘導成神經元。這種由海藻酸和多聚γ-谷氨酸（γ-PGA）以及表面神經生長因子構成的水凝膠在整個誘導過程中發揮著重要作用，而孔隙結構、孔隙度和溶脹比也有一定的影響。在這種水凝膠中，iPS細胞分化的形態學圖像（圖4）展示出神經元的特點。在誘導iPS細胞向神經元分化的過程中，表面神經生長因子可以增強β Ⅲ微管蛋白的表達強度而抑制SSEA-1的表達強度。iPS細胞在這種水凝膠中的分化可以通過SSEA-1和β Ⅲ微管蛋白的表面抗原免疫化學染色和掃描電子顯微鏡來觀察鑒定。

2.3 誘導性心肌細胞

Jiang等[23]使用從Oct4-GFP-C57小鼠身上獲得的心臟成纖維細胞（Cardiac fibroblasts，CFs）感染逆轉錄表達重組因子（Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc）來誘導功能性心臟細胞（Cardiomyocytes，CMs）。以初代的小鼠胎兒成纖維細胞（MEFs）作為對照，試驗發現由CFs衍生而來的iPS細胞（CF-iPS）與胚胎干細胞（EBs）及MEF衍生而來的iPS細胞（MEF-iPS）具有同樣的生理學特性。他們使用經典擬胚體的方法和Transwell CM共培養體系來模擬心肌旁分泌微環境，進而將CF-iPS向功能性心肌細胞誘導。在模擬的心肌旁分泌微環境中，CF-iPS自發地形成可以跳動的EBs。這些分化而來的能夠自發跳動的細胞可以表達心臟特有的組織特異性轉錄和結構因素，而且顯示出典型的心肌形態學和電生理特征。

當然，除了上述誘導性造血和血管細胞、誘導性神經細胞和誘導性心肌細胞外，還有其他的誘導細胞也已經被人們所發現并認知。如Yamaguchi等[24]將小鼠的iPS細胞誘導成肥大細胞。

3 展望

iPS細胞自誕生之日起即受到人們的關注，iPS細胞的研究開創了細胞生物學的新篇章，也極大地促進了表觀遺傳學和胚胎生物學的發展，為人類再生醫學和特異的細胞治療帶來了更美好的希望。

如果供體細胞是來源于病人自身的體細胞，就可以避免免疫排斥反應問題，將這些體細胞先誘導成iPS細胞，進而再誘導成具有特定功能的目的細胞，理論上就可以用于臨床醫學和再生醫學，這樣就有望實現個性化治療。然而，到目前為止，誘導細胞的種類有限，誘導效率也有待提高，并且細胞的功能仍需要大量動物模擬試驗驗證。

目前，如何獲取更多的從終末分化細胞誘導而來的iPS細胞，并進一步誘導成具有特定功能的細胞成為熱點，對多種體細胞衍生的iPS細胞和多種新的培養誘導方法[25-28]也已經進行了嘗試。

盡管這種誘導的功能性體細胞在將來可能具有較高的應用價值，但是其中的詳細機理仍需要探索明確。相信在胚胎干細胞研究、iPS細胞研究、現代基因組學和RNA組學以及蛋白質組學的發展和帶動下，在不遠的將來，越來越多的誘導細胞有望在臨床醫學和生物學基礎研究上發揮重要作用，從而加快再生醫學和動物組織工程的發展，同時，也能促進發育生物學、表觀遺傳學和細胞生物學等基礎研究的發展。

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篇5

硒是人體必需又非常重要的一種微量元素,在腎臟中的含量居體內各器官之首。那么,硒在保護腎臟、防治腎臟病的發生、發展中起什么作用呢?

硒與腎臟疾病的發生密切相關

微量元素與健康是近年來生物和醫學中新開辟的一個研究領域。國外大量研究發現,硒對汞、鉛、鎘等重金屬元素引起的大鼠腎功能損害有很強的保護作用,同樣,硒對于順鉑、阿霉素等化療藥物引起的大鼠腎功能損害也有很好的保護作用。國內臨床研究觀察了10名單純性腎病患兒體內5種微量元素的變化,結果發現患兒腎病發生時硒元素含量較低,對病情評估和治療有一定意義。

專家測定40名慢性腎炎患者血漿脂質過氧化(LPO)、血漿谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)和B族維生素(VitB)水平,結果提示患者抗氧化能力的明顯減低與LPO水平升高有關,且與腎功能損害程度密切相關,而硒恰恰具有很強的抗氧化能力。除此之外,臨床研究還發現,硒對急性鎘中毒性腎損傷有保護作用,對減輕順鉑的腎毒性也具有良好的療效。

5大作用保護腎臟

那么,硒究竟是通過什么機理來保護腎臟的?

1.清除自由基氧自由基可導致腎小球硬化、萎縮和間質纖維化,這是各種慢性腎臟病共同發病機制之一。因此,治療和防治腎臟損傷的關鍵是清除自由基。而硒能顯著提高體內“含硒酶”的活性,從而提高腎臟清除自由基的能力,達到保護腎臟、防止腎臟病進一步加重的目的。

2.提高免疫功能腎臟病作為一種免疫性疾病,硒可影響其發生和發展。硒是活化和維持免疫應答的必需要素,能維持活性氧的正常水平,使免疫功能得到最佳發揮。

3.清除有害重金屬一些重金屬,如鉛、鎘、汞等能損害腎臟功能,加重原有腎臟疾病。硒在體內具有良好的解毒功能,能促使有害重金屬從腎臟排泄,從而拮抗重金屬引起的腎臟損害。另外,硒對腫瘤病人應用化療藥物引起的腎臟損害也有類似的防治作用。

4.調節甲狀腺功能硒缺乏時,可造成甲狀腺素代謝特異性改變,表現為肝、腎T4到T3轉化減少,血漿T4上升,T3下降,進而引起腎臟一系列生理生化改變。補充硒,能夠阻止甲狀腺素代謝特異性改變進程,從而達到保護腎臟的作用。

篇6

在體成像技術的發展及成像策略的不斷提高，能夠在活的生物體內揭示細胞和分子水平的諸多細微變化，有助于在生物整體、真實的體內環境中高時間分辨率地研究生命過程。針對某一生物過程的帶有光學標記的報告基因已被廣泛應用于細胞生物學的研究，近年來正被更多地用于在活的動物模型中探究人體內生理機能和疾病的生物學過程。利用熒光蛋白、螢光素酶基因等生物材料標記細胞、病原體和基因，早已被證實是一種在體內設置“檢測器”、體外直觀檢測的非常可行的策略[1]。

1在體生物發光成像技術的原理

通過生物技術將構建的以螢光素酶基因作為標記基因的載體（重組原核表達質粒、重組真核表達質粒或重組病毒），經轉化、轉染或感染并篩選得到重組病原菌、細胞（如免疫細胞、腫瘤細胞、胚胎干細胞等）或重組病毒（如腺病毒、慢病毒、逆轉錄病毒等）用于轉入小動物；或是將含螢光素酶及調控序列的載體線性化后經顯微注射等技術穩定整合于小動物基因組制備轉基因動物[2－4]。標記基因的表達可通過多種調控元件進行調控，如靶基因的啟動子和增強子等；標記的方法因研究領域、研究目的和實驗策略的不同而各異[4]，但最終都是在體內組織如血液、肝臟、腦、脾、腎等靶部位因特定生物過程的發生而伴隨產生有酶活性的螢光素酶。在注入底物即螢光素的條件下，螢光素酶催化底物反應產生特定波長的光信號，通過成像系統可以直觀檢測到光信號的產生及變化，實時反映體內發生的生物過程，如基因的調控表達、信號傳導、蛋白質之間的相互作用、細胞增殖與分化等。因此，在體生物發光成像技術可廣泛應用于分子生物學、細胞生物學、病毒學與免疫學、腫瘤學等研究領域[5－8]。

2在體生物發光成像技術的應用

2．1標記于腫瘤細胞、免疫細胞、胚胎干細胞等，轉入體內后進行成像

螢光素酶基因作為一種報告基因，最初應用于體外培養細胞內目的基因的表達研究。在體生物發光成像技術的發展，使其能夠應用于在體組織細胞的表達研究[9]。螢光素酶是一類生物發光酶，1種細胞可同時被2種具有不同底物的螢光素酶標記。例如其一可由一組成性穩定表達的啟動子驅動，作為內參，反應細胞數量的變化；另一螢光素酶由要研究的組織特異性啟動子驅動，其發光信號的變化，在消除細胞數量變化的影響后就可反映特定的啟動子在動物體內的表達活性[10－11]。

2．1．1腫瘤及抗腫瘤研究在體生物發光成像技術可直接實時地監測各種癌癥模型中腫瘤的生長和轉移，并可對癌癥治療中癌細胞的變化進行實時觀測和評估，能夠無創傷地定量檢測小鼠整體的原位瘤、轉移瘤及自發瘤。Klerk等[12]研究證實了利用此技術測量腫瘤負荷具有很高的可靠性。Minn等[13]應用該技術進行了乳腺癌肺轉移相關基因的研究，他們構建能夠表達熒光蛋白、螢光素酶的反轉錄病毒載體，并穩定轉染已獲得的不同亞群腫瘤細胞，先通過熒光激活細胞分選術篩選同一亞群內具有相同轉染效果（穩定表達外源蛋白即熒光蛋白和螢光素酶，且水平一致）的細胞，并尾靜脈注射免疫缺陷小鼠，通過檢測生物發光的部位和大小，評價不同亞群腫瘤細胞向肺部位的轉移情況及其轉移能力，再通過檢測細胞內各基因的表達差異來分析肺轉移相關基因。Gupta等[15－16]又用相似的方法來研究乳腺癌腦轉移相關基因及乳腺癌肺轉移過程中分化基因介導的腫瘤再起始，結果再次顯示了生物發光成像技術應用于腫瘤及癌轉移機理研究領域的優越性。

2．1．2抗腫瘤免疫及腫瘤細胞疫苗的研究用帶有生物發光標記基因的小鼠淋巴細胞或基因修飾的腫瘤細胞疫苗，可以檢測放射及化學藥物治療的效果，并可尋找在腫瘤骨髓轉移及抗腫瘤免疫治療中復雜的細胞機制。Cayeux等[17]用螢光素酶基因標記基因修飾的腫瘤細胞疫苗來免疫小鼠，而用另一種底物不同于前者的5，6－carboxy－succinimidyl－fluorescein標記該小鼠內一種與腫瘤相關的免疫細胞，通過2種不同的標記研究了基因修飾的腫瘤細胞疫苗免疫小鼠后抗原遞呈、免疫細胞之間的相互作用及不同免疫細胞在體內免疫過程中的作用。

2．1．3藥物促腫瘤細胞凋亡的研究當螢光素酶與抑制多肽以融合蛋白形式在哺乳動物細胞中表達，產生的融合蛋白無螢光素酶活性，細胞不能發光，而當細胞發生凋亡時，活化的caspase－3在特異識別位點切去抑制多肽，螢光素酶活性得到恢復，由此可用于觀察活體動物體內的細胞凋亡相關事件。細胞凋亡時被激活的caspase－3／7與DEVD－氨基螢光素（aminoluciferin）特異結合而被酶解為氨基螢光素，它可被螢光素酶識別而產生生物發光信號。Liu、Hickson等[18－19]利用這一現象設計的細胞凋亡檢測方法均能夠以極低的DEVD－氨基螢光素量獲得較強的發光強度，因而這一方法可用于評價TNFα（α腫瘤壞死因子）、FasL、TRAIL（TNF相關促凋亡配體）等因素針對腫瘤的治療效果。

2．1．4胚胎干細胞及再生醫學的研究胚胎干細胞在再生醫學領域極具應用前景，然而注入活機體的胚胎干細胞及其分化細胞尚存在顯著的細胞死亡、畸胎瘤的形成、宿主免疫排斥反應等障礙。應用在體生物發光成像技術，可對胚胎干細胞本身及其在注入機體后的存活、增殖、分化等生物事件的發生機理進行深入研究，從而使上述諸多問題得以解決[20]。

2．2標記病原微生物，用于研究感染致病機制、轉移途徑及宿主免疫反應等

在感染性疾病的研究中，在體生物發光成像技術的應用，不僅可以提供疾病進程中觀測病原體在動物體內的寄居部位、數量變化及對外界因素的反應等實時變化信息，而且更有助于揭示感染體內病原體逃逸宿主防御的機制[21]。對病原體感染過程非侵入性的檢測能夠對疾病進程實時地提供新的信息，且有可能發現新的感染位點[22]。Lucker等[23－26］以螢光素酶基因標記HSV－1（單純皰疹病毒）并分別侵染Ⅰ類干擾素受體缺失、Ⅱ類干擾素受體缺失、Ⅰ和Ⅱ類干擾素受體均缺失的小鼠，可觀察到HSV－1對不同干擾素受體缺失小鼠的肝臟、肺、脾、淋巴結的侵襲，及病毒從血液系統進入神經系統的過程，從而證實了不同干擾素在HSV－1感染中所起的不同的作用。Lucker等[27]針對痘苗病毒的類似研究也證實，不同干擾素在機體感染過程中各自和協同發揮的重要作用。#p#分頁標題#e#

2．3標記于基因治療載體用于探究基因治療機制和評價治療效果

將一個或多個目的基因安全有效地轉入體內靶細胞可用于基因治療，應用螢光素酶基因作為報告基因構建載體，觀察目的基因是否能夠在試驗動物體內持續高效和特異性表達。這種非侵入方式具有容易準備、低毒性及輕微免疫反應的優點。螢光素酶基因也可以插入脂質體包裹的DNA分子中，用來觀察脂質體為載體的DNA運輸和基因治療情況。Smith等[28]已經運用該技術進行了HSV作為肝臟疾病基因治療載體的可行性研究。Chou等[29]將帶有螢光素酶基因標記的穩定表達肝細胞癌抗原的質粒轉入沙門菌減毒株，并作為疫苗口服免疫模型小鼠，在體成像顯示了體內沙門菌成功表達抗原和沙門菌作為活菌疫苗在體內的清除過程。

2．4蛋白質間相互作用、信號轉導等的研究

蛋白片段互補策略廣泛用于研究細胞內蛋白質間的相互作用，這種策略在借助在體生物發光成像技術后就可以被運用到活體動物內，以非侵入、可量化、實時地顯示蛋白質之間的相互作用[31]。在動物體內直接觀察細胞中或活體動物體內2種蛋白質的相互作用，可將Firefly螢光素酶（Fluc）的N端與C端分離開，分別與2個可能產生相互作用的目的蛋白相連，并使2組蛋白由不同的載體分別誘導表達。在體的細胞內若2個目的蛋白能靠近并結合形成完整的Fluc，則會產生發光信號。Andrea等[32]建立了一種轉基因報告小鼠，由特異啟動子（TgG4F（＋／－））及其轉錄反式作用因子多聯體蛋白Gal4進行調控。將融合了Gal4BD的p53和融合了VP16的TAg的病毒載體共轉入該小鼠的肝臟細胞，在小鼠肝臟部位觀察到了明顯的發光信號，顯示p53與TAg的結合引發Gal4BD與VP16結合，結合的多聯蛋白順利與啟動子TgG4F（＋／－）結合，進而引發Fluc在肝臟組織的表達。

2．5體內干擾RNA及DNA疫苗的研究

目前RNA干擾技術已經發展成為一種體外轉錄后沉默基因的方法，在體內RNA干擾的轉錄后表達沉默可以引起各種廣泛的生物學效應，因此生物發光在體成像技術有力地促進了體內RNA干擾的研究和在體內利用RNA干擾技術進行其他疾病機理及生物治療的探索。McCaffrey[33]等通過將表達螢光素酶的真核表達載體與針對螢光素酶基因設計的雙鏈小干擾RNA（siRNA）共注射成年小鼠，與對照組比較，前者的熒光強度明顯減弱，表明針對性的雙鏈siRNA明顯起到抑制基因表達的作用。他們還構建表達功能性小發夾RNA（shRNA）的真核表達載體，與表達螢光素酶的載體共注射成體小鼠，與對照組相比，同樣觀察到長時程后熒光強度明顯減弱。RNA干擾技術成功用于臨床治療須保證雙鏈siRNA有效轉入體內并維持有效的濃度，而借助在體生物發光成像技術則可便捷準確地評價雙鏈siRNA運送方法的效果。Takeshita等[34－36]已利用該技術分別對各自所設計的不同的雙鏈siRNA運送方法進行了全面的評價，并發現合理的運送方法，如雙鏈siRNA與某些小分子化合物的連接修飾與單獨的注射雙鏈siRNA相比，前者能使雙鏈siRNA在體內較長時間內不被降解。RNA干擾可作為傳統DNA疫苗的補充，被用以在體內消除免疫抑制因子表達。DNA疫苗的效應常常因相關的信號轉導途徑下調該獲得性免疫反應而受到限制。因此，免疫抑制性的信號途徑的沉默將是DNA疫苗效能得到加強的一種極有潛力的策略。Huang等[37]應用在體生物發光技術所做的研究結果顯示，皮下注射編碼shRNA的DNA，可以作為體內基因沉默和一種能夠有效提高DNA疫苗效果的手段。

2．6標記于轉基因載體建立轉基因動物模型

2．6．1基因表達動物模型為研究目的基因是在何時、何種刺激下表達的，可將螢光素酶基因插入目的基因啟動子的下游，并穩定整合于實驗動物染色體中，形成轉基因動物模型。可用于研究動物發育過程定基因的時空表達情況，觀察藥物誘導特定基因表達及其他生物事件引起的相應基因表達或關閉。Chen等[37]將受胰島素調控啟動子調控表達螢光素酶的轉基因小鼠制成糖尿病小鼠模型，采用在體生物發光成像技術證實了肝臟組織中含有可生成胰島素的細胞。研究結果也證實了在轉錄調控序列和反式轉錄因子與目的基因相同的情況下，螢光素酶的表達水平及底物發光強度能夠真實反映目的基因的表達狀況。目前對于調控多藥耐藥性基因－1（mdr－1a）表達的關鍵因子和胞內微環境的機制尚不明了，使多藥耐藥性依然成為對癌癥患者成功化療的一大障礙。為深入研究mdr－1a在體內組織中轉錄調控的機制，Long等[38]通過胚胎干細胞同源重組、遺傳雜交的手段構建了基因型為mdr－1a＋／Fluc的轉基因小鼠（野生型基因型為mdr－1a＋／＋）。mdr－1a＋／Fluc中Fluc已完全置于mdr－1a開放讀碼框中，其表達受內源性mdr－1a啟動子及相應各種反式作用因子的調控，Western印跡等不同方法均驗證了該模型mdr－1a的表達量與Firefly螢光素酶蛋白表達、發光強度成正比。該小鼠體內Fluc的表達與mdr－1a的表達在時間、所處的微環境均完全一致，可作為研究各種因素下mdr－1a表達調控的理想的動物模型。類似的研究所建立的模型能彌補體外細胞培養不能提供的特定基因表達的真實微環境的缺點，也能彌補基因敲除小鼠存在的代償效應等不足[39]。

2．6．2各種疾病模型研究者根據研究目的，將致病基因、病毒及細菌進行螢光素酶標記，轉入動物體內形成所需的疾病模型，包括免疫系統疾病、感染疾病等。除可提供靶基因在體內的實時表達和對候選藥物的準確反應，還可以用來評估候選藥物和其他化合物的毒性，為藥物在疾病中的作用機制及效用提供研究方法。Hsieh[40－41]等將受前列腺特異性抗原啟動子調控表達螢光素酶轉基因小鼠（sPSA－Luc），與前列腺癌轉基因模型小鼠TRAMP雜交，經檢測篩選得到的子代小鼠TRAMP－Luc隨前列腺特異性抗原的表達穩定產生螢光素酶。因此，該小鼠借助在體生物發光成像技術已被成功地用于前列腺癌的發生及轉移研究。

3在體生物發光成像技術的發展趨勢

篇7

2012年，他的研究被《科技日報》列為一周（8月27日―9月2日）國際要聞報道（2012-09-03二版）；2012年，他的研究發表在影響因子高達25.9的《細胞―干細胞》上；2012年，美國Yale大學干細胞中心的NataliaB.Ivanova教授在CelStemCel上為他的研究撰寫的評論指出：“本研究極大地擴展了目前我們對于干細胞自我更新和分化的分子機制的知識，為深入理解染色質修飾機制及其在胚胎干細胞自我更新和分化中的調控機理提供了重要的線索，并為今后進行新的、令人激動的進一步研究鋪平了道路。”

2012年，他是閃耀表觀遺傳學的新星，他是李相芝。

一項成果引來關注

表觀遺傳學（Epigenetics）指的是在不改變基因的核苷酸序列的基礎上，可以通過基因修飾，蛋白質修飾及蛋白質與蛋白質、DNA和其他分子的相互作用而影響遺傳基因的調節，并且通過細胞分裂和增殖周期而遺傳的新興學科。表觀遺傳修飾通過DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質重塑、以及非編碼RNA等調控方式來實現對基因表達的控制，在正常的細胞增殖、分化、干細胞維持自我更新、定向分化、胚胎發育、腫瘤發生、發展、機體正常代謝調節等過程中，起著非常關鍵的作用。因此，深入研究表觀遺傳學，對于維持正常機體發育、腫瘤發生發展、治療和預防都具有重要的指導和實踐意義。

2012年，李相芝教授的一項研究成果受到人們的廣泛關注，使這位在表觀遺傳學領域默默耕耘十幾年的科學家從幕后實驗室走了出來，成為世人矚目的焦點，盛贊之下，他卻依然默默無聞的進行著自己喜愛的科學研究，波瀾不驚。

這一年，李相芝教授與美國密歇根大學竇亞麗教授合作，系統研究了組蛋白乙酰轉移酶MOF對于胚胎干細胞核心轉錄網絡調控的分子機制。研究表明MYST家族組蛋白乙酰基轉移酶MOF是胚胎干細胞核心轉錄網絡的關鍵調控因子。盡管以往的研究表明組蛋白乙酰化在維持胚胎干細胞多能性中起著重要作用，但其調控機制仍然知之甚少。研究表明MOF作為干細胞多能性的關鍵調控因子Nanog的共激活因子介導基因的轉錄激活功能，維持干細胞多能性相關基因以及主要的分化、發育調控基因的表達。MOF不僅具有維持胚胎干細胞的自我更新的能力，也就是自我復制更多胚胎干細胞的能力；同時還確保胚胎干細胞的多能性，即胚胎干細胞正確的分化為體內各種組織細胞的能力。

李相芝教授表示，本研究利用Mof，Pcls轉基因小鼠，基因敲除小鼠闡明組蛋白修飾對基因表達調控的影響；明確組蛋白修飾調控在白血病，乳腺癌等腫瘤的發生發展及侵襲轉移中的作用；并發現新的組蛋白修飾因子，探明組蛋白修飾與DNA甲基化之間相互作用的分子機制，鑒定一些具有潛在臨床應用價值的腫瘤診斷及治療的新的分子靶標；發現針對乳腺癌、白血病等腫瘤的有效治療靶點。為乳腺癌和白血病等腫瘤的預防、診斷、治療提供分子標志及藥物靶標。

一種堅持令人佩服

然而，眾所周知，科研工作是一項長期且艱苦的腦力勞動，沒有人能夠隨隨便便成功，每一個成功者的背后，都有著數不清的汗水和淚水。

在這項成果發表之前，李相芝教授從在日本千葉大學醫學院/理化學研究所免疫與過敏研究中心（RIKEN?RCAI）跟隨著名的表觀遺傳學、發育生物學家古關明彥攻讀博士學位開始，取得博士學位之后在美國密歇根大學病理系跟隨著名的表觀遺傳學家YaliDou教授做博士后研究，到現在十多年間，他一直從事著干細胞、個體發育、腫瘤發生發展的表觀遺傳學調控研究，在表觀遺傳學調控研究方面撒下了辛勤的汗水，積累著豐富經驗的同時也取得了豐碩成果。

近5年來，李相芝教授已在國際權威期刊（CellStemCel，MolecularCel，Mol.CellBiol.，Development，RNA，Epigenetics，Blood等）上發表十余篇高學術水平SCI論文，被引用200余次，尤其分別發表在國際頂級期刊CellStemCel及MolecularCel上的論文受到了國內外的廣泛關注和專家高度評價。

2011年8月，山東大學醫學院從美國密歇根大學引進李相芝博士為齊魯青年學者特聘教授。在談到自己在山東大學工作的情況時，李相芝教授說在山大的一年多時間里，無論是學校領導還是醫學院、細胞生物學研究所的領導都給了他很大的幫助和自由的學術空間。他們“不會過多地限制我該做什么，不會特別看重我是否能在短期內出成果，剛開始我主要是將大量精力放在建設實驗室，培養研究生基本技能，和本科、研究生及留學生教學等方面；同時抽時間憑興趣做一些實驗，雖然取得的成果有限，但過得很充實、很有意義。”

正是這種寬松的環境令李相芝教授的科研工作有了突破性進展，也正是這種學術氛圍，讓李相芝教授能發現令干細胞保持“干性”的關鍵蛋白，也正是這一關鍵蛋白對干細胞治療疾病的潛力的發揮至關重要。

篇8

授獎公告指出，人的身體是由數十億細胞相互作用的精確校準系統，每一個細胞都擁有一個微小的受體用于感知其周圍環境，以便讓細胞得以適應新的環境。長期以來，有關細胞如何感知、適應周圍環境一直是一個未解之謎。科學家們已知道荷爾蒙如腎上腺素等對提升血壓和加快心率擁有重大的影響，他們猜測在細胞的表面擁有某種對于這些荷爾蒙物質的受體，然而這些受體具體是由什么構成的以及它們究竟如何工作，在上個世紀的大部分時間里，這些激素受體的實際成分及其工作原理卻一直是未知數，困擾著科學家們。美國科學家羅伯特·萊夫科維茨和布賴恩·科比爾卡正是因為在“G蛋白偶聯受體方面所做的貢獻”。

羅伯特·萊夫科維茨，1943年出生于美國紐約。1966年在美國哥倫比亞大學獲得博士學位。目前在美國霍華德·休斯醫學研究所從事研究工作，并擔任美國杜克大學醫學中心醫

羅伯特.萊夫科維茨學教授、生物化學教授。2007年獲得美國國家科學獎章。2009年在生物醫學的范疇獲得BBVA前沿知識獎，同年又獲得美國心臟協會研究成就獎。

布萊恩·科比爾卡，1955年出生于美國明尼蘇達州。1981年在美國耶魯大學醫學院獲得博士學位。目前擔任斯坦福大學醫學院醫學及分子與細胞生理學教授。2011年成為美國國家科學院院士。2012年4月16日，科比爾卡受聘為清華大學客座教授。他是一個非常低調、非常認真的人，來清華的時間里，從早到晚都在醫學院實驗室指導自己的博士后、博士生做實驗。2011年10月25日在《科學》發表：G蛋白偶聯受體“停靠站”結構被確定。

萊夫科維茨于1968年針對生物細胞“感知”周圍環境的能力，試圖解密腎上腺素之類激素物質促生血壓升高和心跳加快等生理反應的機理。這以前，科學界推測，細胞表面包含某種激素“受體”。萊夫科維茨開始利用放射學來追蹤細胞受體，他將碘同位素附著到各種激素上，借助同位素的輻射性狀追蹤以至揭示多種激素受體，其中包括腎上腺素的受體即β-腎上腺素受體。他的科研團隊最終在細胞壁內分離出β腎上腺素受體，繼而對這種受體發揮作用的機理形成了初步認識。

20世紀80年代，該領域研究又有了跨越式發展。年輕的科比爾卡加入了萊夫科維茨團隊，接受一項挑戰，即在人類染色體基因組中確定為β腎上腺素受體“編碼”的特定基因。科比爾卡通過巧妙的實驗方法將β-腎上腺素受體的基因信息從龐大的人類基因組中分離出來。科研人員發現，β-腎上腺素

萊夫科維茨和科比爾卡的研究對于理解G蛋白偶聯受體如何起作用至關重要。2007年，科比爾卡首次用T4溶菌酶融合法解析了β-腎上腺索受體的結構，該方法后來成為獲取G蛋白偶聯受體三維結構的常規手段。此外，2011年科比爾卡又和研究團隊拍攝到了β-腎上腺素受體被激素激活并向細胞發送信號時的精確圖像，這是數十年研究得來的“分子杰作”。2011年8月24日出版的英國《自然》雜志以《關于結構的所有》專題介紹了其研究成果，并在前言中記敘到：科比爾卡以超過20年來的努力，完成了一幅極其關鍵的細胞受體“肖像畫”。

篇9

北京林業大學“環境工程微生物學”課程被列為環境工程專業必修課和專業基礎課，總計48學時，其中理論課32學時、實驗課16學時。在有限的學時內，如何使專業學生較全面地掌握環境工程微生物學的基礎理論體系、核心知識內容和基本實驗技術，培養學生觀察和分析事物的能力、利用微生物學理論知識解決環境問題的能力和創新能力，是本課程的中心任務。基于此，筆者對該課程近幾年的教學情況和成果進行了綜合分析，對問題和經驗進行了總結和研究。

一、課程的定位

“環境工程微生物學”在整個環境工程專業的課程體系中是一門非常重要的專業基礎課。它既包括基礎微生物學的知識內容（微生物的分類、形態結構、營養、代謝、生長繁殖、生態、遺傳和變異等），還包括微生物在環境物質循環和環境污染控制中的作用原理（微生物在元素循環中的作用、微生物對污染物質的降解和轉化等）以及微生物新技術在環境工程中的應用等方面的內容。因此，環境工程微生物學不等同于環境中的普通微生物學，也不是環境污染的生物處理工程。“環境工程微生物學”是在學生不具備微生物學的基礎理論知識的背景下，通過介紹與環境科學與工程領域相關的微生物學基礎知識理論和實驗技術，為后續的水、空氣、固體廢棄物污染控制工程以及污染環境的生態修復等專業主干課程提供知識儲備和理論基礎。這就是“環境工程微生物學”課程學習的目的和任務。這一點對于“環境工程微生物學”課程教師的教學和學生的學習都非常重要，它決定了整個課程的邏輯結構、重點內容和教學方式。也就是說，“環境工程微生物學”的教與學，必須突出環境污染治理和生態環境保護的主題，將微生物學的知識理論和環境領域的工程實踐緊密結合，才能取得良好的教學效果。

二、教學內容的設置

目前，各個學校編寫了不少環境微生物學的教材。其中，周群英和王士芬編著的《環境工程微生物學（第三版）》為廣大高校的環境科學與工程專業所采用，它基本可以滿足一般工科類院校的教學要求。但是，在使用的同時，各學校還應根據自身的專業特色，對其中各章節的內容進行取舍，并針對各自的專業適當增加內容，比如土壤微生物、海洋微生物等，以體現學科的優勢研究領域。

在“環境工程微生物學”的教學過程中，把握好基礎微生物學和微生物在污染控制中的作用兩部分的關系十分重要。前者是后者的理論基礎，后者則是前者的工程應用，重點則是環境工程實踐中的微生物學原理。如果對微生物的結構、營養、代謝等內容介紹過多，課程容易演變為細胞生物學、微生物生理學或生物化學等；而對污染控制的具體工藝過程涉及過多，又容易重復污染控制工程的課程內容。因此，在課程教學時，應合理安排這兩部分的比例。另一方面，“環境工程微生物學”的教學還應處理好與其他相關課程的相互關系。北京林業大學開設的“植物學”“環境生物學”等課程與“環境工程微生物學”之間存在一定的聯系，3門課程在如細胞結構、生理代謝、遺傳變異等知識內容上均有一定的論述，但課程核心和重點內容各不相同。在講解“環境工程微生物學”時，應注重強調微生物細胞、生理、遺傳方面的獨特性，并對這些特性在環境工程領域的應用展開詳細介紹。也就是說，在教學過程中需要注意知識單元的邏輯銜接，注重課程體系的統一性，要明確課程的側重點，避免重復。

基于當前環境科學與工程學科的飛速發展，“環境工程微生物學”的課程教學還應緊密結合當前環境污染控制和生態修復相關領域的新進展，而不能只停留在傳統污染處理工藝的微生物學原理上。教師通過對最新污染控制工程理論和技術的微生物學原理進行解析，可以激發學生學習的興趣、專業的熱情，樹立投身環境保護事業的志向，課程的教學效果也會隨之提高。例如，在廢水生物處理的微生物學原理部分，筆者介紹了這幾年比較受關注的利用好氧顆粒污泥處理高負荷、強毒性有機廢水的新工藝，解析了活性污泥微生物胞外聚合物在好氧顆粒污泥形成中的作用以及生物處理系統由于污泥濃度大幅增加而帶來的高效性，來強調通過利用微生物的生理生化特性進行廢水處理技術的革新。學生對這些新內容的反饋很活躍，也引發了很多討論。

三、教學方法的改革和創新

隨著計算機技術的迅猛發展和現代社會的快速信息化，傳統的、單一的灌輸式教學方法難以取得滿意的教學效果，也無法滿足當前創新型人才的培養要求。大學課堂的教學必須與時俱進，應借助多媒體、網絡以及最新的科研成果和成功的工程實例，來豐富教學的內容和形式，提高教學效率和效果。

(一）合理使用多媒體課件

根據實驗心理學的原理，對于同樣的信息，圖像比文字容易被信息接受者所記憶，這就是所謂的“圖象優勢定律”3]。在傳授以敘述性為主的知識內容時，合理使用形象思維方法，可以幫助學生提高記憶力；而信息的幾何形狀、色彩、字符對形象思維的建立起著相當大的作用。環境工程微生物學的研究對象是肉眼看不見的微小生物，在教學中通過展現大量生動形象的微生物照片，可以使學生容易認識和區分種類繁多的微生物，印象深刻，易于激發學習興趣。例如，在比較G+和G—細菌的結構時，通過對細胞圖片的詳細講解可以清楚地說明二者的區別：G—細胞由胞外到胞內依次為外膜、細胞壁、周質空間及原生質膜，而G+則為細胞壁、原生質膜；同時，G—細菌的細胞壁上僅有一層很薄的肽聚糖，但脂肪層較厚，相反G+細菌的細胞壁含有多層肽聚糖，而脂肪卻相對較少。這樣，學生對G+和G—細菌細胞壁差別的認識就會十分深刻，為此后順利開展革蘭氏染色實驗提供了理論基礎。在介紹微生物代謝、遺傳等較為抽象的知識內容時，教師可以合理采用示意圖、動畫等形式來進行講解，將有效提高學生對知識的理解和掌握水平。例如，在微生物的遺傳和變異一章中，筆者采用Flash動畫演示了微生物遺傳的經典轉化實驗即肺炎鏈雙球菌感染小白鼠實驗，使原本抽象難懂的概念和理論變為生動的畫面，教學效果明顯改善。事實上，國內外一些著名高校、環境微生物實驗室的網站上和國外優秀原版微生物教材中有許多高質量的微生物圖片、教學課件和研究成果，教師可以將其作為本課程的教學素材來加以使用，豐富教學內容，開闊學生視野。

(二）充分利用科研成果和工程實例

大學階段的人才培養正日益與科學技術和社會生產的發展緊密聯系，這就要求“環境工程微生物學”的教學要注重結合科學研究和工程實踐，不斷地加入新的科研成果和工程實例來說明課程的基本知識和基礎理論。同時教師也不能脫離科學研究和工程實踐而單純地搞教學工作。只有長期參加科研實踐的教師，才能使自已的教學內容更加具有前沿性、獨創性和啟發性，在豐富自己的教學內容的同時加深學生對知識的理解；也只有將教學與工程實踐有機結合起來，才能更有效地激發學生的學習興趣，培養學生解決實際問題的能力[4]。例如，筆者在教學過程中選取了微生物燃料電池研究中最新發現的細菌鞭毛充當“納米導線”的現象作為背景材料，展開討論，分析了細胞鞭毛的電子傳遞功能在物質轉化和能量代謝中發揮的作用。這個例子在介紹微生物學知識的同時，很好地詮釋了如何恰當地利用微生物的特性來解決環境問題和實現可持續發展。又如，通過介紹實際工程項目——煤氣廢水生物處理系統中活性污泥的馴化過程，說明了微生物遺傳和變異的特性對于有毒有害工業廢水處理的重要意義。

(三）改變傳統教學模式

在當前大學教學中，課時的有限性與知識的增長性之間的矛盾日益突出，“環境工程微生物學”這門新興的交叉學科尤為如此。所以，教師在授課時，應更加注重所介紹內容的質和量，將多而雜的信息進行疏理與歸納，并以更加靈活的方式傳達給學生。這就要求教師在教學模式上進行變革，改變以往單一的注入式教學方法，采用多種方法有機結合的教學模式，將教師的主導作用和學生的主體地位相結合，從而在傳授知識的同時提高學生的創新能力和綜合素質。

研究表明，提問、引入和討論等啟發式教學方法比起傳統的注入式教學模式更為吸引人，更能收到事半功倍的效果。一方面，啟發式教學可以促進師生之間的互動，活躍課堂氣氛，激發學生濃厚的學習興趣；另一方面，啟發式教學可以培養學生將書本知識應用于實際的思考和分析等綜合能力。總體來講，一些基礎性知識的教學，可以以教師講解為主，但講解的內容要少而精，留一部分內容讓學生自己去消化吸收。對于理解性的知識內容，教師要啟發學生積極思考，有些問題要引而不發，導而不講，讓學生自己通過分析和總結來深化認識。此外，還應注意到高年級本科學生已經具有一定的自學能力，對于一些比較淺顯的多門環境類課程反復涉及的章節內容或非核心知識單元，完全可以安排由學生自學來完成。例如，在講解微生物在氮素循環中的作用時，筆者詳細介紹了硝化作用、反硝化作用等生化反應過程及其影響因素，所以在講解廢水微生物的脫氮原理時，采取了“學生自學為主，教師組織討論和總結”的教學方式。這種教學方式既節省了課時，同時又鍛煉了學生的自學能力、認識能力和分析能力，為以后的科研創新打下基礎。

四、實驗項目和實驗內容的挑選和設置

篇10

【關鍵詞】 光電子技術 光醫學 光保健 學科現狀 發展趨勢

一 引言

生物醫學光學與光子學是光學或者說光子學現展的一個分支學科。由于光學與光子學是具有極強應用背景的學科，所以“生物醫學光子技術”這一多學科交叉的新興研究領域在20世紀末葉也隨之應運而生。

激光技術作為一項重大的科技成就，為研究生命科技和疾病的發生、發展開辟了新的途徑，為保健和臨床診療提供了嶄新的手段,推動人類科學技術進入新的發展階段。

可以把與光的產生、傳播、操縱、探測和利用有關的物理現象和技術包括在內的科學及工程籠統地簡稱為光學。用光學最廣的含義來概括各研究領域及其相關交叉分支時必然包括了激光和光電子技術。運用光學及其技術研究光與人體組織的相互作用問題可歸之于“組織光學”范疇。它是研究光輻射能量在生物組織體內的傳播規律以及有關組織光學特性的測量方法的一門新興交叉學科，是光醫學（光診斷和光治療）的理論基礎。經過40多年的發展，激光與光電子技術在人類的保健、醫療以及生命科學中產生了很大影響。

在醫學領域，光電子技術使各種新療法，包括從激光心臟手術到用光學圖像系統的關節內窺鏡進行微損膝關節修復等，成為可能或得以實現。目前，科學家們正致力于研究光學技術在非侵入式診斷和檢測上的應用，如乳腺癌的早期探查、糖尿病患者葡萄糖的“無針”監控等。激光在醫學上的最早應用雖然集中在治療方面，然而在80年代初期起便開始了光診斷技術的探索。指望無損害地獲得診斷信息是這些研究的驅動力之一，其中在物理學中高度發展的光譜技術有望在診斷醫學中得到應用。利用光纖把光傳輸到身體內部的能力，可以完成膀胱、結腸和肺等器官的檢查。隨著醫學診斷方法向無損化方向發展，利用光電子學技術對組織體進行鑒別和診斷，有可能更早期、更精確地診斷各種疾病。近年來，人們開始把這種診斷方法稱之為“光活檢”。

隨著現代醫學模式的轉變、健康概念的更新以及人民生活水平的提高，從20世紀80年代后期起，“激光美容術”在世界各地包括在我國各大城市逐漸地開展。保健美容是光電子技術應用越來越活躍的領域。激光技術應用于美容外科的起步較早，使得一些在美容整形外科很棘手的疾病，如太田痣、血管瘤等治療變得簡易有效。到20世紀末，人們又開發了一種稱為光子嫩膚術的新美容技術。它基于選擇性的光熱解作用，有效地改善肌膚的質地和彈性，達到美容的效果。之所以用激光或強脈沖光進行非消融性的嫩膚或治療越來越流行，是因為這類手術具有無損、不必住院、幾乎無副作用和無疼痛，從而使受術者容易接受的優點。

國家自然科學基金委員會先后二次在“光子學與光子技術”以及“生物醫學光學”優先資助領域戰略研究報告中分別指出：近年來生物醫學光學與光子學的迅猛興起，令人矚目，并因而引發出一門新興的學科－生物醫學光子學（Biomedophotonics）。研究報告選定了近期優先研究領域包括生物光子學、醫學光子學基礎研究、醫學臨床的光學診斷和激光醫學中的重要課題等諸方面。

福建師范大學在1974年成立了“醫用激光及其應用技術”研究組，以激光與光電子技術為基礎，圍繞激光醫學應用的核心技術開展研究與開發。至二十世紀九十年代，跟隨該領域的國際走向，轉入激光醫學技術的基礎理論研究工作，在國內率先開展了生物組織光學與光劑量學的研究。伴隨研究工作的深入開展，逐步形成了我們有特色的若干前沿研究方向，并于2005年獲準立項建設醫學光電科學與技術教育部重點實驗室。

二 國內外現狀

光學在生命科學中的應用，在經歷了一個緩慢的發展階段后，由于激光與新穎的光子技術的介入，進入了一個迅速發展的新階段。與光學有關的技術沖擊著人類健康領域，正在改變著藥物療法和常規手術的實施手段，并為醫療診斷提供了革命性的新方法。特別在近十多年來，與蓬勃的學術研究活動相對應，國際上出現了專門的研究性學術雜志，如：Laurin 出版公司于1991年發行了“Bio-Photonics”新雜志。美國光學學會重要的會刊之一“Applied Optics”也于1996年將其“Optical Technology”欄目擴充為“ Optical Technology and Biomedical Optics”，并定期出版有關生物醫學光學的論文專集。SPIE亦于1996年創辦了期刊Journal of Biomedical Optics，且聲譽日隆。到2004年，該刊的SCI影響因子已達3.541。當前，發達國家普遍對生物醫學光子學學科給予了高度重視。例如，在美國國家衛生研究院（NIH）新成立的國家生物醫學影像與生物工程研究所（NIBIB）中，生物醫學光子學也成為其主要資助的領域。近三年中，美國NIH已經召開過4次研討會，認為新的在體生物光子學方法可用于癌癥和其它疾病的早期檢測、診斷和治療。新一代的在體光學成像技術正處在從實驗室轉向癌癥臨床應用的重要時刻。在NIH的支持下，美國國家癌癥研究所（NCI）正在計劃5年投資1800萬美元，招標建立“在體光學成像和/或光譜技術轉化研究網絡（NTROI）”，其研究內容主要包括：光學成像對比度的產生機理、在體光學成像技術與方法、臨床監測、新光學成像方法的驗證、系統研制與集成等五個方面。2000年底，在美國NIBIB的首批支持項目中，光學成像方法約占30%。2000年7月，美國NIH投資2000萬美元，開展小動物成像方法項目（SAIRPs）研究，受到生命科學界的高度關注，其中光學成像方法是研究重點之一。美國國家科學基金會（NSF）在2000-2002年了4次關于生物醫學光子學研究（Biophotonics Partnership Initiative）的招標指南。“9.11”事件后，美國國防部啟動了“應激狀態下的認知活動”(Cognition under stress)項目，采用的研究方法就是光學成像技術。美國加州大學Davis分校于2002年10月宣布：未來10年內，將投資5200萬美元建立生物醫學光子學科學技術中心（The Center for Biophotonics Science and Technology），其中4000萬美元由NSF支持。在學術交流活動方面，國際光學界規模最大西部光子學會議（Photonics West）上，每年的四個大分會之一即是生物醫學光學會議（BiOS），論文均超過大會總數的三分之一，如，2003年關于BiOS的專題為19個，占整個會議的19/52=36.5%；2004年，IBOS會議專題為20個，占整個會議的20/55=36.4%。另外，每年還召開歐洲生物醫學光子學會議。除疾病早期診斷、生理參數監測外，在基因表達、蛋白質―蛋白質相互作用、新藥研發和藥效評價等研究中，特別是近年來的Science, Nature, PNAS等國際權威刊物發表的論文表明，光子學技術也正在發揮至關重要的作用。在某些領域，如眼科，光學和激光技術已成熟地應用于臨床實踐。激光還使治療腎結石和皮膚病的新療法得以實現，并以最小的無損或微損療法代替外科手術，如膝關節的修復。現在，用激光技術和光激勵的藥物相結合可治好某些癌癥。以光學診斷技術為基礎的流動血細胞測量儀可用于監測愛滋病患者體內的病毒攜帶量。還有一些光學技術正處于無損醫學應用的試驗階段，包括控制糖尿病所進行的無損血糖監測和乳腺癌的早期診斷等。光學技術還為生物學研究提供了新的手段，如人體內部造影、測量、分析和處理等。共焦激光掃描顯微鏡能將詳細的生物結構的三維圖象展現出來，在亞細胞層次監測化學組成和蛋白質相互作用空間和時間特征。以雙光子激發熒光技術為代表的非線性成像方法，不僅可以改善熒光成像方法的探測深度、降低對生物體的損傷，而且還開辟了在細胞內進行高度定位的光化學療法。近場技術將分辨率提高到衍射極限以上，可以探測細胞膜上生物分子的相互作用、離子通道等等。激光器已成為確定DNA化學結構排序系統的關鍵組成部分。光學在生物技術方面的其它應用還包括采用“DNA芯片”的高級復雜系統，和采用傳輸探針的簡單系統。激光鉗提供了一種在顯微鏡下方能看見的一種新奇的、前所未有的操作方法，能夠在生物環境中實現細胞或微觀粒子的操縱與控制，或在10-12m范圍內實現力學參數的測量。結合光子學和納米技術已經可以探測細胞機械活動，揭示細胞水平上隱秘的生命過程，利用納米器件甚至可以檢測和操縱原子和分子，這可以應用在細胞水平的醫學領域。高技術的進步，如：微芯片極大地加速了生物光子學的發展進程。集成電路、傳感器元件和相連電路的小型化、集成化促使在體和體外測量分子、組織和器官圖像成為可能。許多生物醫學光子學技術已經在臨床上應用于早期疾病監測或生理參量的測量，如血壓，血液化學，pH，溫度，或測量病理生物體或臨床上有重要意義的生化物種的存在與否。描述不同光譜特性（如熒光，散射，反射和光學相干成像）的各種光學概念出現在功能成像的重要領域。從大腦到竇體再到腹部，精確導位和追蹤，對于精確定位醫療儀器在三維手術空間的位置具有重要的作用。基于分子探針的光子技術可以識別發生疾病時產生的分子報警，將真正實現令人激動的、個人的、分子水平的醫學。

我國的研究基礎與條件雖然相對落后，研究投入不足，但生物醫學光子學是一門正在興起和不斷發展的學科，在這一新興交叉學科上國內外處于一個起跑線上。近年來，在國家自然科學基金委、省部委以及其它基金項目的資助下，我國在生物醫學光子學的研究中取得了很大的進展，尤其是2000年第152次主題為 “生物醫學光子學與醫學成像若干前沿問題”、第217次主題為“生物分子光子學”的香山會議后，有許多學校和科研單位開展了生物醫學光子學的研究工作，并初步建成了幾個具有代表性的、具有自己研究特色和明確科研方向的研究機構或實驗室，并在生物醫學光學成像（如OCT、光聲光譜成像、雙光子激發熒光成像、二次諧波成像、光學層析成像等）、組織光學理論及光子醫學診斷、分子光子學（包括成像與分析）、生物醫學光譜、X射線相襯成像、光學功能成像、認知光學成像、PDT光劑量學、高時空譜探測技術及儀器研究等方面取得了顯著的研究成果。發表了許多研究論文，申請了許多發明專利，有些已經獲得產業化。國家自然科學基金委員會生命科學部與信息科學部聯合發起并承辦的全國光子生物學與光子醫學學術研討會已經舉辦了六屆。這對我國生物醫學光子學學科的發展起到了積極的推動作用。在我國近年所召開的亞太地區光子學會議中，有關生物醫學光子學的內容已大幅增加，成為主要的研討專題。我國的生物醫學光子學研究和學術活動也方興未艾，呈現與國際同步的態勢。在基礎研究、應用基礎研究以及對新技術的掌握方面跟蹤國際先進水平，但國內科研經費的投入相對較小，科研隊伍規模不大，原創性的科研成果與國外有較大差距。和國外的發展水平相比，我國的生物醫學光子學發展還存在以下問題：

（1）盡管從事生物醫學光子學的科研單位很多，但取得突破性、創新性的研究成果很少，主要是由于我們的科研隊伍在組織、組成上還不合理，過于分散、開展的內容繁雜，難以將有限的資金投入到一些有利于國計民生的及上水平的研究方向上；另外許多單位的研究重復，缺乏合作，導致水平低下；

（2）和國外相比，研究經費無論在絕對值還是相對值上均投入十分不夠；

（3）缺乏研究成果產業化的引導機制。

三 醫學光電科學與技術（福建師范大學）教育部重點實驗室概況

“醫學光電科學與技術”教育部重點實驗室設立于福建師范大學物理與光電信息科技學院（激光與光電子技術研究所）內，作為本學科開展科研研究和實施建設與發展的一個基礎平臺。實驗室已有30年發展歷史，1973年成立福建師范學院物理系激光實驗室，1984年成為福建師范大學激光研究所實驗室，1995年為福建省首期211重點學科《應用光子學》學科實驗室，2003年5月26日經福建省科技廳批準成立“光子技術福建省重點實驗室”，2005年7月28日經教育部批準立項建設教育部重點實驗室。實驗室座落于福建師范大學長安山校園內。

30年多來，實驗室在生物組織光學、醫學光譜與光學成像技術、光診斷及光診療技術、信息技術光學及其生物醫學應用等四個主要方向上努力開拓，承擔并完成了數十項國家與省部重點、重大項目課題，取得一批代表我國本領域研究水平的科研成果，其中十五以來獲省部級科技進步一等獎1項，二等獎2項，三等獎2項，其它省級以上獎勵12項。在國內外重要刊物發表的論文以及被SCI、EI收錄的論文均超過100篇。

實驗室目前承擔著國家與省級重要課題50余項，科研經費超過2000萬元。其中國家自然科學基金項目11項，國家教育部、科技部、衛生部項目9項，福建省科技重大專項1項，其它省級重要項目近30項。

中科院半導體研究所原所長王啟明院士任重點實驗室學術委員會主任，副主任由黃尚廉院士和謝樹森教授擔任。另有九位國內外著名的激光、光電子與醫學學科交叉的院士、專家或資深教授擔任委員，其中海外委員兩人。他們規劃、指導并檢查本學科實驗室的建設與發展。

重點實驗室主要學術帶頭人、實驗室學術委員會常務副主任謝樹森教授是中國光學學會副理事長、福建省光學學會理事長、國家有突出貢獻的中青年專家、光學工程專業博導、全國勞動模范，是我國醫學光電科學與技術領域的學術帶頭人與開拓者。實驗室主任陳榮教授、副主任李暉教授均為國務院特殊津貼專家，實驗室常務副主任陳建新教授來自于北京大學的優秀博士后研究員。重點實驗室擁有穩定的可持續開展高水平科研的學術梯隊，其中的中青年學術帶頭人或學術骨干包括1位閩江學者特聘教授、1位福建師范大學特聘教授、3位國務院特殊津貼專家、2位全國優秀教師、2位福建省優秀教師和15位博士。

重點實驗室與國內外學術界建立了并保持著廣泛的聯系。重點實驗室已設立面向國內外的開放課題基金。已批準并實施來自浙江大學、廈門大學、上海光機所、西安交通大學、華南師范大學、天津醫科大學、上海市激光醫學研究中心等單位知名學者的開放課題。

重點實驗室已具備良好的科研軟硬件環境。現有面積近5000平方米，儀器設備原值2500多萬元。重點實驗室各項管理制度健全。

“醫學光電科學與技術”重點實驗室，在我國現代科學技術領域特色鮮明，在我國相關學科處于領頭地位，有較大影響。重點實驗室建設將有力促進福建省科技創新能力建設，促使福建師范大學迅速向高水平、有特色、開放型的綜合性大學邁進。同時，重點實驗室的建設與發展將有力促進我國醫學光電科學與相關學科的發展，為廣大民眾的身心健康，為海峽西岸的科技、社會與經濟發展做出重大貢獻。

四 發展趨勢和展望

光子學及其技術已廣泛應用或滲透到生物科學和醫學的諸多方面，被科學界所認同和重視。生物醫學光學已經成為國際光學學科重要發展方向之一。生物醫學光子學的發展，將為現代醫學和生命科學帶進嶄新的時代。本學科的發展將繼續體現了多學科交叉的特點，研究領域涉及到了生物學、醫學、和光學，還有化學等不同大學科的方方面面。技術開發與臨床應用研究的結合將越來越密切。一般認為，光學領域未來發展的重點是將各種復雜的光學系統和技術更加廣泛地應用于保健和醫療。當今世界中,與光子學有關的技術沖擊著人類對生命體的認知及人類健康領域。基于現代激光與光電子技術的生物醫學光子學技術將為生命科學研究帶來具有原始性創新的重要科研成果，并可望形成有重大社會影響和經濟效益的產業。

在醫學領域，光子學技術正在改變著藥物療法和常規手術的實施手段,并為醫療診斷提供了新方法。在某些領域,如眼科,光學和激光技術已成熟地應用于臨床實踐。激光還使治療腎結石和皮膚病的新療法得以實現,并以無損或微損療法代替外科手術,如膝關節的修復。現在,用激光技術和光激勵的藥物相結合可治好某些癌癥。以光學診斷技術為基礎的流動血細胞測量儀可用于監測愛滋病患者體內的病毒攜帶量。還有一些光學技術正處于無損醫學應用的試驗階段,包括控制糖尿病所進行的無損血糖監測和乳腺癌的早期診斷等。

在基礎研究方面，研究重點在于從細胞，甚至是亞細胞尺度層次揭示病變組織與正常組織之間的差異，為新技術開發以及應用提供理論依據。另一方面，研究光與人體組織之間的相互作用以及所產生的光化學、光熱和光機械效應。在技術的應用方面，研究重點轉向比較各種技術中光源（相干光源/非相干光源、波長、功率密度、偏振性、連續/脈沖光源、脈沖持續時間等）和個體差異（年齡、性別、臨床癥狀、發病史、發病時間等）對診斷或治療結果的影響，在確定各種技術臨床適應癥的同時，進一步實用化各種技術。此外，還在不斷開發新的實用于不同疾病的診斷、治療和監測技術。

值得關注的是，國外從事“生物醫學光學”領域研究的高校或研究機構中，來自大陸的中國學者的數量越來越多。這有助于使國內外的學術交流更加有效，并可以預期國內與國外在該領域的研究水平差距將不斷縮小。

今后若干年內醫學光電科技學科需關注的重大科學問題和優先研究領域如下：

（一）醫學光子學基礎

在組織光學方面，其中最主要的有光在組織體內傳播的特殊方式、組織光學性質的描述以及有關實驗技術的開發和完善等。組織光學是醫學光子技術的理論基礎。光在生物組織中的運動學（如光的傳播）問題和動力學（如光的探測）問題是研究的主要內容，目的是要研究生物組織的光學性質和確定某靶位單位面積上的光能流率。應優先解決測量技術和實驗精度的問題，利用近場光學顯微技術、光鑷技術測量活體組織的光學參量。在理論建模方面，建立生物組織中光的傳輸理論和數值模擬方法。具體開展的研究工作應包括：1）光在生物組織中傳輸理論：要用更復雜的理論來描述生物組織的光學性質以及光在其中的傳播行為。建立準確的組織光學模型，使之能反映生物組織空間結構及其尺寸分布情況、組織各個部分的散射與吸收特性以及折射率在一定條件下的變化情況；改造傳輸方程，使之適應新的條件，并能在某些情況下求出光在生物組織中傳輸的基本性質。2）光傳輸的蒙特卡羅模擬：繼續開發新的更為有效的算法以適應生物組織的多樣性和復雜性的要求。除了了解光在組織中的分布，還在探索從大量數字模擬中得到生物組織中光的宏觀分布與其光學性質基本參量之間的經驗關系。另外，發展非穩態的光傳輸的蒙特卡羅模擬方法也是一個重要的研究方向，從中可以獲得比穩態條件下更多的信息。

組織光學參數的測量方法和技術方面，尚未獲得人體各種組織的可靠實驗數據。發展和完善活體的無損檢測尤為重要。在這方面，時間分辨率與頻率分辨率的測量方法引人注目。

（二）醫學光子學光譜診斷技術

醫學光子學光譜（非成像）診斷技術實質上是利用從組織體反射、散射、發射出來的光，經過適當的放大、探測以及信號處理，來獲取組織內部的病變信息，從而達到診斷疾病的目的。

生物組織的自體熒光與藥物熒光光譜技術，內容涉及光敏劑的吸收譜、激發與發射熒光譜以及各種波長激光激發下正常組織與病變組織內源性熒光基團特征光譜等。現在人們所謂的特征熒光峰實際上只是卟啉分子的熒光峰。客觀和科學地判斷激光熒光光譜對腫瘤的診斷標準是十分必要的。目前，某些癌瘤的藥物熒光診斷已進入臨床試用，自體熒光的應用尚處于摸索之中。需要開展激光激發生物組織和細胞內物質的機理研究，探討激光誘發組織自體熒光與癌組織病理類型的相關性以及新型光敏劑的熒光譜、熒光產額和最佳激發波長等方面的研究，以期獲得極其穩定、可靠的特征數據，為診斷技術的發展提供科學依據。

近年來，拉曼光譜技術應用于醫學中已顯示出它在靈敏度、分辨率、無損傷等方面的優勢。應開發并完善重要醫學物質拉曼光譜數據庫，并使基于拉曼光譜分析的小型、高效、適用于體表與體內的醫用拉曼光譜儀和診斷儀將在醫學臨床獲得更廣泛的應用。

超快時間分辨光譜比穩態光譜在技術上更靈敏、更客觀和更具有選擇性。因此，將脈寬為ps、fs量級的超短激光脈沖光源用于醫學受到廣泛重視，其一，應發展超快時間分辨熒光光譜技術，用于測量生物組織及生物分子的熒光衰變時間，分析癌組織分子馳豫動力學性質等，為進一步研究自體熒光法診斷惡性腫瘤提供基礎數據；其二，應發展超快時間分辨漫反射（透射）光譜技術。以時域的角度測量組織的漫反射，從而間接確定組織的光學特征。這是一種全新的、適用于活體的、無損和實時的測量方法，為確知光與生物組織的相互作用，解決醫學光子學中基礎測量問題開辟一條新徑。

（三）醫學光子學成像診斷技術

發展出具有無輻射損傷、高分辨率、非侵入、實時、安全的光子學成像診斷技術，并具有經濟、小型、且能監測活體組織內部處于自然狀態化學成分等特點的醫療診斷設備。主要的醫學光子學成像診斷技術包括：

超快時間分辨成像技術：以超短脈沖激光作為光源，根據光脈沖在組織內傳播時的時間分辨特性，使用門控技術分離出漫反射脈沖中未被散射的所謂早期光，進行成像。正在研究的典型時間門有條紋照相機、克爾門、電子全息等。

散射成像技術：包括光子密度波散射層析成像、組織深度光譜測量以及復合成像等，利用紅外光源，光子密度波在生物組織中的穿透深度可達幾個毫米，在低散射的人腦組織中甚至可達30mm。

紅外熱成像：紅外熱成像是利用紅外探測器測量人體和動物的正常與病變組織的溫度差異來診斷病變及其位置，現已在醫學診斷中得到廣泛的應用，如乳腺腫瘤的診斷。

光學相干層析成像技術：一種非侵入式無損成像技術，并且可以與顯微鏡、手持探針、內窺鏡、醫用導管、腹腔鏡等相結合使用，從而具有廣闊的應用領域。而且，OCT能進行眾多功能成像，如分光鏡OCT、多普勒OCT、偏振OCT：也可以與眾多成像技術結合使用，如熒光、雙光子、二次諧波成像等技術。

熒光壽命成像：受超短光脈沖激發后，熒光團，包括自體熒光團如NADH、FAD等和外源熒光團，如有機熒光染料、熒光蛋白等，所發出熒光的壽命取決于熒光團的分子種類及其所處的微環境，如pH、離子濃度（如Ca2+、Na+等）、氧壓等，因此熒光壽命的測量和成像，有助于提供生物組織的功能信息。和內窺鏡結合，可用于胃癌、食道癌等疾病的早期診斷，是一種很有前途的具有高靈敏度、高特異性以及高診斷準確性的早期癌癥診斷方法。

光聲作用成像：利用超聲場在生物組織中的優良傳輸特性和激光在生物組織中的選擇性吸收特性,將超聲定位技術和光學高靈敏度檢測技術結合,以實現無損傷臨床醫學的結構和功能層析診斷。預期成像深度遠好于目前的光學成像方法,對于較厚生物組織成像及臨床應用特別具有吸引力,可為及早發現一些特殊病變提供一種無損、有效、高準確度的方法。

非線性光學成像：雙光子激發熒光顯微成像、二次諧波等成像技術由于具有三維高空間分辨率，對比度高、對生物組織的損傷小等優點，研究工作重點是擴展成像技術在生物醫學領域的應用范圍，重點解決研制小型化內窺型診斷設備所面臨的相關技術問題。

人體經絡的光學表征及其調控功能：已經用不少事實證明了經脈循行路線的現象，也初步顯示了人體體表沿十四經脈路線存在的紅外輻射軌跡。然而，至今未能用西醫的形態學或生理學方法證明它的存在，也不能明晰地闡明“經絡”的實質。可以利用已發展的生物醫學光子學諸多成像技術為工具，研究這個具有中國特色的中醫學中的重大問題。

4.醫用激光治療技術（激光醫學）

強激光治療：是當前激光醫學中最成熟和最重要的領域。隨著新型醫用激光器的不時出現，如：鈦激光、鉺激光、準分子激光等，強激光治療技術的臨床用途也逐漸增多，提出一些新的問題。關于這些新型激光器及新的工作方式對人體組織的作用特點的認識還相對不足，基本沒有適合國人組織特性的治療參數。為此需加強研究激光與生物組織間的作用關系，特別是在諸多有效療法中已獲得重要應用的激光與生物組織間的作用關系；研究不同激光參數（包括波長、功率密度、能量密度與運轉方式等）對不同生物組織、人體器官組織及病變組織的作用關系，取得系統的數據，同時也有必要加強新型激光器及新的工作方式的臨床適應證的研究。

低強度激光治療：非熱或低強度激光輻射可作為一種輔助治療手段，其作用機理尚不清楚。對弱激光治療機理的認識有待于整個基礎醫學的提高，如充分認識細胞基因表達與調控、細胞代謝的調控、免疫反應的調控等，同時還需研究不同弱激光劑量對這些調控的影響，這才能提高弱激光治療的針對性和療效。針對目前臨床上盲目夸大療效、照射劑量嚴重混亂的局面，建議重點扶持2-3個弱激光研究中心，集中財力與人力進行弱激光的細胞生物學效應研究；弱激光生物調節作用和細胞生物學現象（基因調控和細胞凋亡）的量效關系、弱激光鎮痛的分子生物學機制以及弱激光與細胞免疫（抗菌、抗毒素、抗病毒等）的關系及其機制。尋求弱激光生物刺激效應的可能機制與量效關系；規范臨床治療參數與操作等。

光動力學治療（PDT）是當前激光醫學中最具活力且發展迅速的領域。光動力療法具備了診斷和治療腫瘤、心腦血管病等人類重大疾病的潛力。光動力療法在鮮紅斑痣、老年性眼底黃斑病變、某些頑固性皮膚病、類風濕性關節炎等常規手段難以奏效的良性疾病的治療研究中取得一系列進展，并結合內鏡技術的發展等，其應用領域得到很大的延伸和擴展。這些都說明發展光動力療法具有重要的社會和經濟效益。應當重點資助PDT相關產品的國產化，扶持新一代國產光敏劑的開發及相應激光器的產業化，資助新一代光敏劑光動力學治療的機理研究。作用機理、光動力療法各要素對光動力學效應的影響、建立數學模型、新型光敏劑光動力學效應的研究，為開拓光動力療法新的應用領域取得系統的數據。

激光美容與光子嫩膚術：利用激光或強脈沖光照射皮膚后的選擇性光熱解效應，即靶組織（病灶）和正常組織對光的吸收率的差別，使激光在損傷靶組織的同時避免正常組織的損傷這一原則，達到去皺、去文身、脫毛和治療各種皮膚病或達到美容的效果。

五 結論

醫學光子學及其技術的學科發展，對生命科學有重要且積極的意義。在醫學領域，將為解決長期困擾人類的疑難頑疾如心血管疾病和癌癥的早期診治提供可能性，從而提高人類的生存價值和意義，其中的重大突破將起到類似X射線和CT技術在人類文明進步史上的重要推動作用，在知識經濟崛起的時代還可能產生和帶動一批高新技術產業。

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課題組成員：

1.謝樹森：教授、博士導師，中國光學學會副理事長，福建省光學學會理事長

2.李 暉：福建師范大學 醫學光電科學與技術教育部重點實驗室

3.陳 榮：福建師范大學 醫學光電科學與技術教育部重點實驗室