RudinMWeisslederR药物发现和研发的分子成像技术
近代显微成像技术的研究进展与应用
近代显微成像技术的研究进展与应用狄伶【摘要】The development of microscope imaging technology was introduced, and the imaging principle and application of fluorescence microscopy, confocal microscopy and super-resolution microscopy were outlined. The technology of stimulated emission depletion (STED) was clarified in the super-resolution microscopy. With the rapid development of computer technology and photo-electricity technology, a new generation of microscopy of living cells is developed, and cells tracking, real-time observation, 3D reconstruction, fluorescence quantification and four-dimensional dynamic analysis can be carried out at molecular and ion levels.%本文简述显微成像技术的发展历史,介绍荧光成像、共聚焦显微成像和超分辨显微成像技术的工作原理及应用.超分辨显微成像技术中主要介绍受激发射损耗技术.随着计算机技术和光电技术的飞速发展,新一代显微成像技术对活细胞微观生命活动实现了分子和离子水平的形态定位、实时动态观察、三维结构重组、荧光定量分析和四维动态分析.【期刊名称】《中国医疗设备》【年(卷),期】2018(033)002【总页数】4页(P107-110)【关键词】显微成像技术;共聚焦显微镜;受激发射损耗;超分辨显微成像技术【作者】狄伶【作者单位】上海交通大学分析测试中心,上海 200240【正文语种】中文【中图分类】TH74引言显微成像技术是一种借助物理方法观察微小物体的技术手段，它的发展与物理学领域对光的认识密不可分。
诺贝尔化学奖2020基因组编辑方法 超分子化学
诺贝尔化学奖2020基因组编辑方法超分子化学诺贝尔化学奖2020年颁给了化学家埃米曼努埃尔·夏尔坦和詹妮弗·杜德纳以及遗传学家琼·阿尔科头尔，以表彰他们在基因组编辑方法与超分子化学领域的突出贡献。
这些研究对人类的基因编辑和治疗疾病有着重要的意义，具有深远的影响。
基因组编辑方法是一种通过改变生物体的基因组来实现特定遗传性特征的方法。
这一方法的发展为科学家提供了一种准确和高效的工具，可以用来修改生物体的DNA序列。
这对于研究基因功能、治疗遗传性疾病以及推动生物技术的发展都具有重要意义。
埃米曼努埃尔·夏尔坦和詹妮弗·杜德纳的贡献在于他们的研究发现了CRISPR-Cas9系统的基本原理和应用。
CRISPR-Cas9是一种细菌天然免疫系统，可以识别并切割DNA序列中的特定区域。
科学家们在细菌免疫系统的基础上进行了改良和利用，开发出了高效、简单和准确的基因组编辑方法。
这种方法不仅在实验室中被广泛应用，还有望成为治疗许多遗传性疾病的一种新型治疗方法。
琼·阿尔科头尔则在超分子化学领域做出了突出的贡献。
超分子化学是研究分子之间非共价相互作用的化学学科。
阿尔科头尔的研究聚焦于DNA分子的设计与合成，通过合理设计和组装DNA分子可以形成具有特定性质和功能的超分子结构。
这种DNA的超分子结构可以被用于构建纳米材料、开发药物传递系统和制备新的生物传感器等领域。
基因组编辑方法和超分子化学的结合在许多方面都有重要应用。
科学家们利用超分子化学设计了一种新型的CRISPR-Cas9系统，使其在DNA序列中特定的作用靶点上实现高效的切割。
这种改良后的系统具有更高的精确度和特异性，使其能够更好地应用于基因组编辑和治疗研究。
此外，基因组编辑方法和超分子化学的结合也为开发精确的基因组修复工具提供了可能。
科学家们可以利用超分子化学的原理设计合成特定的DNA修复模板，实现精确的基因组修复和修饰。
单分子成像技术的发展现状
单分子成像技术的发展现状单分子成像技术是一种能够观察分子活动、探究生化机制的高分辨率成像技术。
其作用不仅仅局限于生物科学领域，还涉及到物理学、化学、材料学等多个学科领域。
技术的发展也离不开诸多学科的交叉与融合。
一、引言单分子成像技术最早的出现可以追溯到20世纪80年代，主要通过荧光显微镜（Fluorescence Microscopy）的方法对单个荧光分子进行成像。
由于技术的限制，当时对于荧光信号的检测和信号处理还存在很大的问题。
然而，随着科技的飞速发展，扫描探针显微镜、光学共振散射显微镜、双光子激发荧光显微镜、强制调制近场显微镜等各种单分子成像技术相继问世，单分子成像技术的分辨率不断提高，对生命科学研究的价值也越来越受到重视。
二、扫描探针显微镜扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy，SPM）指的是一种用于观察界面的显微镜，它是通过用尖锐的金属探针在表面扫描来实现成像的。
该技术在生物化学等领域具有重要应用，可以实现对生物分子、蛋白质等的高分辨率成像。
同时，扫描探针显微镜在其它领域中也有诸如高材料的表面分析等多种应用。
三、光学共振散射显微镜光学共振散射显微镜（Optical Resonance Scattering Microscopy，ORS）是一种非荧光单分子成像技术。
相比于荧光显微镜，ORSM 技术不需要染色，不会造成光破坏，同时在信号的收集和处理上也更加灵敏。
因此，该技术具有对生物活体进行高效成像、建立生物分子与细胞之间的相互作用模型等独特的优势。
四、双光子激发荧光显微镜双光子激发荧光显微镜（Two-Photon Excitation Fluorescence Microscopy，TPE-M）是一种低光破坏，不需分子标记，对深部成像也能取得相较于传统显微镜的优越成像效果的技术。
TPE-M主要利用激光器中特定波长的激光对分子进行双光子激发，使得光子处在高能激发态，产生荧光现象。
活细胞成像技术在药物研发中的应用
活细胞成像技术在药物研发中的应用现代药物研发中，活细胞成像技术日益受到重视。
这种技术能够实时、动态地观察细胞内分子的互作、信号传递和代谢过程，对药物分子与细胞及其胞外微环境之间的相互作用进行直观记录和分析。
因此，在药物研发过程中广泛应用，成为药物研发和临床治疗中的重要手段。
活细胞成像技术通过显微镜将细胞内分子互作和代谢过程直接呈现在显微镜视野中，为观察药物与细胞相互作用提供了一个全新的视角。
比如，在药物筛选的早期阶段，化学家可以通过实时观察细胞中荧光标记的药物与靶分子的相互作用情况，及时剔除无效分子，节约时间和成本。
在药物开发中，临床医生可以通过实时观察药物进入、分布和代谢情况，推断患者响应和副作用机制，为制定个性化治疗方案提供重要参考。
与传统药物筛选方法相比，活细胞成像技术能够直观地显示药物与细胞之间发生的生物学反应，为药物开发提供了更贴近生物学实际情况的研究手段。
通过活细胞成像技术的应用，药物研发人员可以更加准确地研究药物的作用机制、毒性和副作用等问题，为药物的发现、开发和落地提供强有力的技术支撑。
此外，活细胞成像技术还能应用于标记、追踪和定量药物在细胞内的分布和代谢过程，及时了解药物的通透性、分布情况、抗药性、代谢速率和清除过程等。
通过实时观察药物在细胞和组织内的变化，药物研发人员能够更好地了解药物的作用机制和生物学反应，提高药效和降低副作用，从而提高药物的疗效和安全性。
总之，活细胞成像技术是药物研发和临床治疗中不可或缺的技术手段。
通过这种技术的应用，药物研发人员可以更加准确地研究药物的作用机制和生物学反应，为药物的发现、开发和落地提供强有力的技术支撑，促进了药物的研究和发展，有望为广大患者提供更为个性化和精准的治疗方案。
生物谷专访罗宇龄博士：RNAscope(R)开启分子诊断新时代
生物谷专访罗宇龄博士：RNAscope(R)开启分子诊断新时代PCR作为传统的分子诊断技术 ,具有灵敏度高、特异性强、诊断窗口期短 ,可进行定性、定量检测等优点。
但它有一个缺点 ,必须打破细胞 ,把目标分子释放到溶液中才能检测。
而很多慢性疾病〔如癌症等〕的诊断 ,其样品中标识分子和细胞是密切相关的 ,因而更多的需要从单细胞、单分子水平进行检测。
RNAscope(R)能够在原位、单分子水平上高灵敏的检测和定量RNA生物标志物 ,是新一代原位杂交技术平台。
ACD除了开发具有自主知识产权的癌症检测试剂 ,还与制药企业和生物公司建立合作关系 ,验证靶向治疗开展中的生物标志物。
ACD的技术突破了伴随诊断中识别和验证的关键性难题。
RNAscope(R)开启分子诊断新时代生物谷：罗博士您好 ,近年来分子诊断的概念日渐风行 ,能否请您简单为大家介绍一下分子诊断技术相对于传统的诊断方法具有哪些先进之处？我们了解到 ,贵公司成功开发出RNA原位细胞分子诊断的核心技术——RNAscope(R) ,请问这项技术最大的优势是什么？罗宇龄：分子诊断主要通过核酸检测实现 ,其检测的灵敏度和特异性相对于传统检测方法高很多 ,同时也能进行定量检测 ,比方PCR；这些技术上的优势在传染性疾病检测方面已经全面显现。
然而传统的分子检测技术如PCR并不太适合癌症诊断。
因为它需要先打破样本中的细胞并提取核酸才能进行检测。
测到的只是样本中核酸标识分子的平均值。
这种方法对传染性疾病的检测是有效的。
因为病原体于人体而言是外来物质 ,只要在样本中检测到了病原体标识分子 ,就可以断定病因。
但对于自身引起的疾病 ,比方癌症、自身免疫疾病等来说 ,标识分子常存在于自身正常细胞中。
仅仅在样本中检测到标识分子就没有意义了 ,必须知道标识分子出现在那一种细胞中。
这样一来 ,不破坏细胞的“原位〞分子检测技术就非常重要了。
这是PCR等传统的分子检测技术无法做到的。
[高分子材料] 三位科学家因发展冷冻电子显微镜技术获诺贝尔化学奖
![[高分子材料] 三位科学家因发展冷冻电子显微镜技术获诺贝尔化学奖](https://img.taocdn.com/s3/m/5e2bfa6831126edb6f1a1078.png)
2017-10-04北京时间10月4日17时45分许，2017年诺贝尔化学奖颁给雅克·杜波切特(Jacques Dubochet), 阿希姆·弗兰克(Joachim Frank)和理查德·亨德森(Richard Henderson)，表彰他们发展了冷冻电子显微镜技术，以很高的分辨率确定了溶液里的生物分子的结构。
图片来源：诺贝尔官网。
获奖人简介约阿基姆·弗兰克（Joachim Frank）德裔生物物理学家，现为哥伦比亚大学教授。
他因发明单粒子冷冻电镜（cryo-electron microscopy）而闻名，此外他对细菌和真核生物的核糖体结构和功能研究做出重要贡献。
弗兰克 2006 年入选为美国艺术与科学、美国国家科学院两院院士。
2014 年获得本杰明·富兰克林生命科学奖。
理查德·亨德森（Richard Henderson）苏格兰分子生物学家和生物物理学家，他是电子显微镜领域的开创者之一。
1975 年，他与 Nigel Unwin 通过电子显微镜研究AHAHAGAHAGAGGAGAGGAFFFFAFAF膜蛋白、细菌视紫红质，并由此揭示出膜蛋白具有良好的机构，可以发生α- 螺旋。
近年来，亨德森将注意力集中在单粒子电子显微镜上，即用冷冻电镜确定蛋白质的原子分辨率模型。
雅克·迪波什（Jacques Dubochet）， 1942 年生于瑞士，1973 年博士毕业于日内瓦大学和瑞士巴塞尔大学，瑞士洛桑大学生物物理学荣誉教授。
Dubochet 博士领导的小组开发出真正成熟可用的快速投入冷冻制样技术制作不形成冰晶体的玻璃态冰包埋样品，随着冷台技术的开发，冷冻电镜技术正式推广开来。
革命性的冷冻电镜技术细胞里面的生命活动井然有序，每一个部分都有其特定的结构，承担不同的功能。
生物大分子则是一切生命活动的最终执行者，它们主要是核酸和蛋白。
核酸携带了生命体的遗传信息，而蛋白是生命活动的主要执行者。
SelfRenew专栏｜L-DNA研究再迎突破
SelfRenew专栏｜L-DNA研究再迎突破近期，《Nature Biotechnology》杂志发表了清华大学朱听教授的课题组的最新研究工作。
朱听教授长期致力于镜像生物化学的研究，该工作是他在L-DNA领域的又一个重要进展。
之前，朱教授通过与清华大学的刘磊教授合作，成功地利用化学合成的D型DNA聚合酶初步实现了L型DNA的PCR扩增。
而在本文的工作中，他们成功合成了90 kDa的D型的火球菌（Pfu）DNA 聚合酶，并高保真地实现了镜像基因的扩增和整合。
基于这套基因操作流程，他们成功实现了序列信息的存储和解读。
而且，由于L型DNA的耐天然核酸酶的特性，它在自然条件和压力条件下显示出比天然DNA更强的稳定性。
朱听教授说，他希望能构建一个与“中心法则”平行的镜像世界。
借助这一整套平行的系统，我们能够在更加无干扰的稳定的环境中深入研究遗传法则的演化，甚至寻找本就存在但尚未被发现的天然的镜像生命。
既然已初步实现的DNA扩增，下一步，自然是向下游的转录和翻译环节进行探索。
笔者点评L型DNA是与天然D型DNA呈镜像对称的一类分子，在保留原有的理化性质的同时能够避免天然的核酸酶的破坏。
这一特性让这类分子有了及其广阔的应用前景，包括新型材料、新型存储介质甚至新型生命等。
而在医药工业，也早有相关的应用。
例如NOXXON公司，利用“镜像筛选”技术开发L型的DNA和RNA 适配子，他们称之为“Spiegelmers”。
除了直接作为发挥功能的药物分子之外，L型DNA还具有作为多功能药物分子的生物相容性骨架的潜力。
例如安升医药，他们的NAPPA（Nucleic Acid mediated Protein–Protein Assembly）技术平台利用L-DNA单链互补配对的特性，进行多种蛋白的组装，形成多特异性的大分子复合物（如多特异性抗体）。
天眼查的信息显示，兆维科技的子公司兆维生物投资了安升，并占有1/3的股权。
詹姆斯杜威 沃森
科学研究
遗传物质
实验竞争
基因模型
实验竞争
主要成就
主要成就
詹姆斯·杜威·沃森 1951年～1953年在英国期间，詹姆斯·杜威·沃森和英国生物学家F.H.C.克里克合作，提 出了DNA的双螺旋结构学说。这个学说不但阐明了DNA的基本结构，并且为一个DNA分子如何复制成两个结构相 同DNA分子以及DNA怎样传递生物体的遗传信息提供了合理的说明。它被认为是生物科学中具有革命性的发现， 是20世纪最重要的科学成就之一。
人物经历
人物经历
DNA之父沃森 詹姆斯·杜威·沃森（James Dewey Watson，～ ），世界著名生物学家、遗传学家。美国科 学院院士，诺贝尔奖、科普利奖章获得者，科学界权威人物，被誉为“DNA之父”。
1928年4月6日生于芝加哥。 1947年毕业于芝加哥大学，获学士学位，后进印第安纳大学研究生院深造。 1950年获博士学位后去丹麦哥本哈根大学从事噬菌体的研究。 1951～1953年在英国剑桥大学卡文迪什实验室进修。 1953年回国，1953～1955年在加州理工大学工作。 1955年去哈佛大学执教，先后任助教和副教授。 1961年升为教授，在哈佛期间，主要从事蛋白质生物合成的研究。 1968年起任纽约长岛冷泉港实验室主任，主要从事肿瘤方面的研究。 沃森被许多同事和朋友描述为：才华横溢、直言不讳、性格怪异。他知识渊博而不迂腐。精力非常旺盛，从 学生时代开始他就很喜欢打网球。每天都坚持打......
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对象
对象 ID 品种名称 性别
1..n
检查
检查 ID 检查日期
临床前真实世界模型
1..n
系列
系列编号 模态 系列描述
1..n
图像
SOP 公用模块 图像点阵模块
1..n
非图像
SOP 公用模块
9
DICOM 临床试验模型
患者
患者 ID 患者姓名 患者性别
1..n
检查
检查 ID 检查日期
临床试验对象
患者出生日期
患者性别
相关的医生
16
❖ 挑战
挑战和未来工作
IMALYTICS 模型与其他卖方的临床前模型
尚未获得来自不同卖方的数据
还没有临床前产品 DICOM 符合性声明
❖ 未来工作
将 IMALYTICS 模型扩展到分组研检查 17
当前模型在以下方面的适用性：
结论
➢ 近来临床前成像正逐渐成为能推动临床研究 的强大工具
系列 图像
与临床 DICOM 数据互操作 性差 11
将临床前模型映射到 DICOM
患者
项目
☺ 与 DICOM 模型高度一致
临床试验对象
☺ 与现有临床应用兼容性好
对象
检查
检查
☺ 互操作性好
系列
系列
与概念临床前模型有差异
图像
图像Leabharlann 不便实现项目级数据挖掘12
IMALYTICS 模型
患者
临床试验对象
Rudin M., Weissleder R.; 分子成像在药物发现和研发中的应 用， 《Nat. Rev. Drug Discov.》，2， 123-131，2003 年
新成像技术 的试验床
• 小尺寸原型 • 低资本投入 • POC（概念验证）
Gleich B., Weizenecker J.; 利用磁粒子的非线性反应实现层析 成像 《Nat.》，435(30)，1214-1217， 2005 年
议程
❖ 临床前介绍
❖ IMALYTICS 工作空间
❖ 信息模型需求
❖ 映射到 DICOM
❖ DICOM 临床前应用限制
❖ 挑战和未来工作
1
研究工作流
➢ 研究以探索和/或假说驱动的计划为特点，它们经常得到奖励发现或探索 生化进程新见解资金的支助。 ➢ 如果在临床前检查期间，证明生物标志物、药物及治疗的系统性发现和研 发是有前途的，则最终会从动物模型转到人体。
超声
5
临床前应用需求
提高产量、可复现性，以及各种试验方法的标 准化，如：
单一对象的快照测量 跨多个阶段的单一对象的纵向检查 同一个实验室里对多个对象的分组检查 为证实假说对分布式种群进行检查
6
IMALYTICS 工作区
➢ 多模态临床前工作站 ➢ 提供了药物发现过程中不同方面的组合视角 ➢ 提供专门用于研究和发现的高级图像分析、量化及可视化工具
检查
系列 图像
项目 对象 检查 系列 图像
互操作性： ➢ 易于实现
兼容性： ➢ 可用于临床试验 ➢ 可轻松地与临床应用集成
数据挖掘： ➢ 无法通过该模型实现 ➢ 可通过软件实现
语义相关性： ➢ 与 DICOM 高度相关
13
面向项目的工作流
☺ 通过本地数据库实现面向项 目的视图
☺ 可将面向项目的视图无缝地 应用于临床试验
➢ 临床前领域的关键是要推进互操作性（尤其 对于转化研究）
➢ 需要特定平台来解决临床前的互操作性 (IHE/Connectathon)
18
精于心 简于形
药物发现
代谢组学
药物研发
临床使用
Rudin M., Weissleder R.；
药物发现和研发的分子成像技术
《Nat. Rev. Drug Discov.》，2，123-131，2003 年
4
临床前的多种模态
生物荧光 动物 MRI
自动射线照相术 荧光
Massoud & Gambhir，《Genes & Development》，2003 年
探索或 假说驱动
转换 ...
统计上的 重大成果
由临床前 工作间实现
2
临床前成像
“研究人员不是鼠医”
对生物学/生物化学 的基本了解
新生物标志物的设计 与评估（药物） （诊断/治疗）
• 从体外到离体 • 验证模型
• 动力学 • 效应（候择物） • 剂量
Massoud T.F., Gambhir S.S.; 活体对象的分子成像 ：关于基础生 化进程的新见解， 《Genes Dev.》，17，545-580， 2003 年
在 DICOM 网络和媒介上可 能无法得到面向项目的视图
不能一次性导入整个项目
14
DICOM 临床前应用限制
分组研究
多个对象是同一扫描 的一部分
在分割为多个层次后 不能分享同一项检查
不能代表单一对象的 取向
15
DICOM 临床前应用限制
➢ DICOM 第 2 类属性可能未必总适用于临床前 领域
工作区
超声
多模态 离体 采集
项目
登记
分段
动力学
可视化
统计上 可靠的
结果
7
IMALYTICS 建模要求
➢ 数据挖掘
面向项目的视图 每个临床前项目都将涉及多个对象，且各对象名
下附有一系列图像
➢ 互操作性
与现有标准的互操作性好 与现有临床前数据的互操作性好
➢ 兼容性
可扩展用于临床试验
8
项目
项目 ID 描述 主要调查人
3
3
成像技术在药物发现和研发中的应用
成像
明示目标 和功能目标
不同媒介的相关效应 品种变化 生物剂量学、药物动力学 毒性、安全性 为后续临床使用而确认成像
目标识别
化合物筛选
先导化合物 临床试验
效应 安全性 人体药物动力学 剂量调整 可获得性
效应 剂量调整 目标实现
第1-2试验阶段 第3试验阶段
销售
基因组学与 蛋白质组学
1..n 临床试验发起人姓名 临床试验方案名称 临床试验方案 ID
1..n
系列
系列编号 模态 系列描述
1..n
图像
SOP 公用模块 图像像素模块
10
将临床前模型映射到 DICOM
患者
项目
☺ 描述临床前范围的概念模型
临床试验对象
检查
对象
☺ 可轻松实现项目级数据挖掘
检查
与现有临床应用兼容性差
系列 图像