學術探奇

美麗在細節中

周仁杰以新型顯微鏡管窺萬象

提起實驗室,很多人最先會想起顯微鏡。它和保護身體的白袍,都是科學家不可多得的助手。

但顯微鏡的發展一日千里,早已不是我們印象中上中學生物課時見到的那一台實而不華的器械。在中大,周仁杰教授研發嶄新的三維光學顯微鏡,能夠快速並精準地捕捉細胞的活動,輸出高解像度的三維圖像。

這部高速層析相位顯微鏡運轉快速、功能卓絕,可觀測細胞膜或細胞核等組織的動態、精子細胞的走向、細菌的結構改變或在細胞中遊走的動向。亟需掌握細胞結構的生物學家和檢察材料結構的材料科學家,最需要周教授的得意發明,助其管窺學科的奧秘。

「新型顯微鏡或會顛覆傳統的生物成像。」周教授說。這位中大鐳射測量與生物醫學實驗室主任,現正帶領團隊研發成像技術,解決生物醫學和材料科學微觀結構的難題。

一般血液和醫學測試幾天才有結果,而新型顯微鏡可在數分鐘內完成檢測。現時抽血過後,血液會運往化驗室檢驗,我們需另約時間了解驗血結果。若整個血液測試或腫瘤檢測能夠即場得知結果,那該多好?

顯微鏡的另一優勢,是不用將細胞染色。現時的細胞分析技術須以化學物質標記細胞,以作識認。通常,為了賦予細胞傳導性,又或是化學物質的關係,細胞在顯微鏡下早已死亡。

反之,新型顯微鏡可以實時分析自然的活細胞,每秒產出逾六百幅三維斷層圖。換言之,顯微鏡可於少過一點七毫秒,即一千七百分之一秒的時間製作一幅三維細胞圖像,較現有三維細胞成像技術快至少十倍。

現時為生物醫學工程學系助理教授的周教授,早在伊利諾大學攻讀博士時涉足三維細胞成像技術。但是,當時攝影機的敏感度、機械掃描器操控激光的能力,以及圖像處理軟件的質素皆未如理想,令他裹足不前。

新型顯微鏡需要強大的計算能力去處理精細的資訊。相機、機械掃描器和運算軟件的功能三年前開始追上周教授的構想。他亦是在那時研發出第一代顯微鏡,能夠在一秒內製作三十幅斷層圖。

此系統操控的激光,近乎無孔不入。數以百萬微米大小的鏡片在電流驅動下高速移動,快至每秒一萬次。挪移神速的鏡陣就如同一部超高清投影器,能分析細胞內的細胞器,特別是那些變化極快的細胞結構的運動。我們以往對它們的觀測,僅止於二維或三維靜態圖像,現在透過新顯微鏡,我們可以實時且立體地觀看這些細胞部件。

除了鉅細無遺,顯微鏡還可以一次過評估大量細胞。幾分鐘內,它可以為數百萬個細胞造像。舉個例子,一個腫瘤細胞即使在血液只佔百萬分之一空間,顯微鏡也能精準發現,這有助及早偵測稀有癌症。

由於細胞不需要以任何方式染色或化學處理,即使不是醫生或生物學家,也有能力攝製和分析圖像。

自2018年創建現時系統,周教授和團隊已把顯微鏡的速度提升了十倍,並且一直在改良成像,令圖像處理軟件捕捉更多細節、減低模糊度。

周教授指出,要精確微調顯微鏡,使光線準確穿梭整個鏡像系統並非易事,需在實驗室耗上大量時間才能掌握竅門。「熟能生巧,經過多年練習,總會揣摩到一些技巧。現在,我可以在幾分鐘內把鐳射光束對準並穿過一個十微米,即千分之一毫米的針孔。」

大眾總以為軟件的發布才會引起轟動,然而周教授的硬件發明同樣備受科學家追捧,紛紛尋求合作。生物學家希望透過顯微鏡研究精子尾巴的運動,也有科學家希望觀察藥物傳送到細胞的過程,還有人想利用機械牽拉細胞。周教授亦與神經外科醫生合作,探索用顯微鏡偵測腦瘤級數的可能。

周教授道:「醫生對新型顯微鏡非常雀躍,並提議在診所使用。顯微鏡速度極快,手術期間就可以進行病理檢驗。活體組織一般需要幾小時化驗,但現在醫生可以即時觀測並得知是否殘留腫瘤邊緣。他們不希望遺下任何細小的腫瘤組織,否則病人需要再次接受手術。」

對周教授來說,這些合作充分發揮其發明的價值,令人興奮。他比喻自己的實驗室為一間售賣硬件的專門店:「所有人都專注在軟件上,沒有多少人花時間開發硬件。我視自己的實驗室為『家得寶』,生物學家、醫生和材料科學家會蒞臨購買器材。產品的好壞取決於它們是否用得其所,以及能否解決顧客的疑難。」

圖/Eric Sin
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本文出自中大網頁(2020年3月)

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顯微鏡 三維光學顯微鏡 周仁杰 鐳射測量與生物醫學實驗室 物醫學工程學系 教授