光を追って: 彼は「光子イメージング」を使って生物界を照らします!

私の夏の思い出にはホタルがいつも存在します。夜になると、道路脇や柵の横に集まって蛍光星のようにキラキラ光ります。遠くから見ると、闇夜に浮かぶ銀色の生き生きとした光は、空から散りばめられた星のように見えます。このような壮大な光景は鑑賞価値が高いだけでなく、実は生物学と光学の融合研究の推進にも非常に役立っています。バイオ光学の分野が誕生しました。何思聡氏は博士課程以来、光学分野における光学顕微鏡技術の開発と、バイオメディカル分野におけるその学際的応用を専門としてきました。南方科技大学の生命科学学院および生物医学工学部に入職後、高い時間的・空間的解像度、大きな浸透深度、低い光毒性を備えた新しい蛍光顕微鏡技術の開発に取り組んでおり、可視化を通じて生体組織における動的な生物学的プロセスを研究しています。 「バイオオプティクスは、生命科学と物理学の交差点から生まれた新しい学問分野です。その主な研究対象は、生物における物質と光の相互作用です。生物の構造、機能、動的プロセスに対する理解を深めるために、光学技術とフォトニック技術の開発を目指しています。このため、バイオオプティクスは刺激的でやりがいのある学問分野でもあります。新しい知識を探求し、学際研究のイノベーションエンジンを最大限に活用し、光学技術を使用して生物医学分野の最先端の科学的問題を研究するために、生涯学習の良い習慣を維持することは私たちにとって価値のあることです。」彼は言った。

光を追い求める心の力

周囲を川や湖に囲まれ、水の自然の美しさに恵まれた何思聡と光学との関わりの始まりを語るとき、壮大な学術スタイルと長江南部の優雅な精神が融合した浙江大学（以下、「浙江大学」と略す）を語らずにはいられません。 2008年は、何思聡が大学入試を受けるという夢を追いかけた年でした。それはちょうど浙江大学が「一般入学」研修プログラムを本格的に実施し始めた時期と一致した。 「一般教育」に向けたこの改革アプローチは、学問分野の境界を打ち破り、学生に学際的な学習に取り組むことを奨励し、まだ自分の発展の方向性を決めていない学生に「自分自身を振り返り」、自分の興味を明確にするための緩衝機会を提供していることは特筆に値します。何思聡氏もこのモデルの恩恵を受ける一人だ。大学2年生から専攻の専門化が始まったため、1年生のうちから「ビッグエンジニアリング」の海を自由に探検することができた。しかし、実際には、彼は常に光電子情報工学に興味を抱いていました。 「浙江大学光電子工学部はわが国の光工学発祥の地であり、光電子工学は同学部の最も影響力があり有利な学問分野の 1 つです。」それ以来、何思聡は光電子情報と光学画像技術に密接に関係する人生の新たな章を開きました。

▲何思聡氏（左から4人目）とチームの集合写真

浙江省から香港まで、西湖からビクトリア湾まで、何思聡は『幾何光学』や『物理光学』などの専門書を手に、数年間にわたり勉強しました。香港科技大学の電子・コンピュータ科学部に着任した当初は、学際的・統合的な研究についての知識がなく、生物学の学問的背景がなかったためプロジェクトを開始できなかったこともあったが、少しずつ進歩が止まることなく、やがて川が流れ出た。彼は、指導教官である屈建南教授の熱心な教えと丁寧な指導の下、経験を積む機会を逃さず、特に先輩生物学者との頻繁な交流の重要性を認識しました。 「光学研究のバックグラウンドを持つ研究者として、私は自分の習慣的な思考の輪から抜け出し、生物学分野の研究課題とニーズを率先して理解し、光学をそれらにどう応用するかを考える必要があります。香港科技大学のキャンパス内のさまざまな専門部門の研究室はすべて同じ学術ビルにあり、さまざまな分野の専門家が同じ屋根の下で働いています。これは目に見えない形で学際的な交流と協力のための非常に便利な条件を作り出し、私はその恩恵を受けています。」何思聡は言った。

研究の面でも、何思聡氏は精力的に活動している。昼夜を問わず机に向かって研究を続け、真夏にようやく成果が実りました。博士研究員研究の最後に、「生体深部組織の高解像度イメージング技術の研究」と「生体単一細胞の蛍光標識および追跡イメージング技術の研究」という2つの研究プロジェクトで満足のいく成果を出したのです。前者は、生物組織における光学顕微鏡の応用における重要な問題について計画および調整を行い、生物組織の複雑な構造成分により光が生物組織を透過する際に波面の歪みによって生じる不十分な画像効果などの困難を解決することに重点を置いています。彼らは波面成形を利用して光学収差を補正し、画像の深度と解像度を向上させるために全力を尽くしています。後者は、細胞の異質性の認識における質的な変化を達成することに重点を置いています。

「深部生物組織における高解像度の蛍光イメージングを実現するために、私たちは適応型光学多光子蛍光イメージング技術（AO-TPEFM）を開発しました」とHe Sicong氏は述べています。この技術の最大の利点は、非侵襲的または最小限の侵襲的条件下で複雑な生物組織に浸透し、細胞構造の高解像度の蛍光画像を取得できることです。その理由は、He Sicong 氏のチームが多光子蛍光を巧みに利用して、機器本来の 3 次元光学切断機能を刺激したためです。 「私たちは、ガイド星信号として蛍光を効率的に収集する超高感度波面検出器を組み立て、これに基づいてサンプルの収差によってもたらされる光波面歪み情報を計算しました。計算された光学収差値は、リアルタイムの波面成形のために高精度変形ミラーシステムに即座に送信されます。同時に、閉ループフィードバック制御システムを使用して、残留収差を迅速に反復して補正します。この技術により、生体組織の収差の正確な測定と迅速な動的補正を実現し、深部組織イメージングの解像度とコントラストを向上させることができます。」研究はすでに完了してしばらく経っているが、その詳細は今も何思聡氏の記憶に鮮明に残っている。

さらに、細胞の異質性の研究は生物学の分野で常に大きなニーズとなっており、特定の細胞タイプの個々の発達、ダイナミクス、機能の複雑さを完全に理解するために不可欠です。画像技術の進歩により、人間は生物体内の細胞活動や生物学的プロセスを明確に観察できるようになりました。体内の同一細胞とその子孫の活動特性を長期間にわたって追跡・観察できる単一細胞標識技術のサポートと相まって、細胞の挙動・発達・機能に関する異種研究を実施するための強固な基盤が築かれたことは間違いありません。

「単一細胞光学標識および追跡画像化技術」について話す際、何思聡氏は香港科技大学の文子龍教授の研究グループと共同で取り組んでいる関連プロジェクトについて言及した。彼らは、高度な光学顕微鏡画像技術、分光分析、遺伝子組み換えツールを使用して、新しいタイプの赤外線レーザー熱衝撃単一細胞標識および追跡技術である単一細胞 IR-LEGO を開発しました。この技術の重要な革新性は、赤外線レーザーを使用して、熱活性化レポーター遺伝子を持つ細胞を適切に加熱し、発光を誘導することで、単一細胞とその子孫すべてに蛍光標識を付け、その後の細胞子孫活動の長期追跡を容易にし、継続的かつ詳細な活動データを記録できることです。何思聡氏は次のように語った。「高精度の単一細胞蛍光標識と高解像度の顕微鏡画像技術を組み合わせることで、体内の各細胞の行動特性を直感的に理解する道が開かれる。」

新しい画像診断ツールが病気の研究に役立つ

生物学研究であれ医学研究であれ、科学者は細胞や生物の特定の領域の特性や状態、さらには特定の分子の発現、分布、その他の情報を分析するために、いつでも直感的で明確な静的または動的画像を取得したいと望んでいることは間違いありません。今日、バイオ光学イメージングは​​、その成熟した検出機器、高い感度と解像度、そして高速なイメージング速度により、世間の注目を集めています。その出現は、過去に「困難で複雑な病気」であったいくつかの新しい診断法や治療法の開発にとって重要な実際的意義を持っています。しかし、病理学的メカニズムや臨床症状は人によって異なるため、バイオオプティクスには依然として改善の余地が十分にあります。これは、何思聡氏が南方科技大学に入学して研究を続ける根本的な動機でもあります。

「香港にいた時、南方科技大学の創立精神は『果敢に挑戦し、真理を探求し、実践し、改革と革新を行い、卓越性を追求する』ことだと知りました。生命科学学院長の張明傑院士は『各分野の強みを結集し』、独自の学問体系を構築し、生命科学学院をまったく新しいモデルで発展させたいと強く願っています。現代の生物医学研究がビッグデータ、定量化、マルチスケール、マルチモダリティの道を歩んでいることは明らかです。そのため、私が過去に学んだことは今でも学校のニーズと比較的高いレベルで合致していると信じており、張院士が提案した発展の方向性に完全に同意します。」意気投合した後、この若い学者は2020年に決然とチームに加わりました。彼の研究は、新しい生命科学部と同様にゼロから始めなければなりませんが、そこには無限の希望も含まれています。

装備の購入、人材の募集、研究のバランス調整、プラットフォームの構築...これらの一見些細で退屈な作業は、ここ数年間He Sicongの生活を占めてきましたが、粘り強く続ける力は、多くの場合、これらの穏やかな年月の間に形成されます。現在、多くの経験と実践を経て、何思聡は自身の作品の将来の方向性について、より慎重かつ明確な考えを抱くようになりました。 「今日のバイオメディカル研究が飛躍的な進歩を遂げるには、スケールを越えたマルチモーダル高解像度イメージング技術ツールの開発が不可欠だと考えています。そのため、SUSTechの私の研究室の目標は、生体組織のイメージングに幅広く使用できる高解像度の深部浸透光学顕微鏡を開発することです。同時に、人工知能や画像処理などの他の技術を組み合わせて、画像データの多次元分析を実現します。最先端のイメージング技術と科学研究機器を開発することで、バイオメディカル分野の研究者が主要な科学的問題を解決するのを支援したいと考えています。」

時間は昼夜を問わず進み、過去と未来を繋ぎ、団結と闘争の足跡を刻み続けます。昨日を振り返ると、南方科技大学に一人で足を踏み入れた光景がまだ鮮明に残っています。現状を振り返ると、バイオ光学イメージング研究所の勤勉で思慮深いパートナー全員と重要な問題に協力する日々は、何思聡氏を心から幸せにさせるのに十分です。 「私が最も誇りに思っているのは、物理学、生物学、電子工学、コンピューターサイエンスなど、多分野にわたる才能を持つこの学際的な研究チームです。科学研究​​は、決して一人の努力に頼ることはできません。将来的には、光学、生物学、計測科学などの専門的バックグラウンドを持つ若い学者がチームに参加し、光学技術を使って私たちと一緒に生命の謎を探究することを歓迎します」と何思聡氏は述べた。