3月21日，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施在北京懷柔科學(xué)城通過國家驗收。該設(shè)施是“十三五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目，將為生命科學(xué)研究和重大疾病診治提供全尺度、多模態(tài)的成像技術(shù)支撐，助力全景式解析生命奧秘。

多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施園區(qū)規(guī)劃圖。中國科學(xué)院生物物理研究所供圖

跨越9個尺度，對生命體進(jìn)行可視化觀測與精確測量

隨著研究手段的革新，生物醫(yī)學(xué)研究正發(fā)生著巨大變革。成像技術(shù)作為生物醫(yī)學(xué)最重要的研究工具之一，將在重大生物醫(yī)學(xué)問題的研究中扮演關(guān)鍵角色，成為推動生命科學(xué)基礎(chǔ)研究和臨床醫(yī)學(xué)研究發(fā)展的核心動力。

多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施旨在通過研發(fā)并有機(jī)整合不同成像模態(tài)，打造在時空尺度和模態(tài)上無縫對接的、從分子到人的“一體化”生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)集群。設(shè)施于2019年5月經(jīng)國家發(fā)展改革委批復(fù)，由北京大學(xué)與中國科學(xué)院生物物理研究所（以下簡稱“生物物理所”）共同推動，并聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等多家單位進(jìn)行建設(shè)，總投資為17.17億元。

其核心裝置包括多模態(tài)醫(yī)學(xué)成像裝置（裝置一）、多模態(tài)活體細(xì)胞成像裝置（裝置二）、多模態(tài)高分辨分子成像裝置（裝置三）及全尺度圖像數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)，可對生命體從分子到器官的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行跨尺度可視化觀測與精確測量。

為何叫跨尺度？北大未來技術(shù)學(xué)院副院長孫育杰解釋，裝置一是醫(yī)學(xué)成像裝置，主要看宏觀的人體和器官；裝置二主要看細(xì)胞，從分米尺度跨越到了微米尺度；裝置三主要看蛋白、DNA、RNA等，跨越到納米尺度，“我們要做的是把跨越這9個尺度的數(shù)據(jù)通過影像的方式呈現(xiàn)出來，再用裝置四進(jìn)行整合，更全面地看待生命，解答疾病的問題?！?/p>

多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施航拍圖。任暉 攝

全人體PET/CT設(shè)備可一分鐘完成高圖像質(zhì)量掃描

在裝置一的大樓中，記者看到了一個類似醫(yī)院CT的設(shè)備。據(jù)北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院任秋實(shí)教授介紹，這臺全人體PET/CT設(shè)備是目前臨床最高靈敏度的腫瘤檢測技術(shù)之一。

“目前醫(yī)院大多使用的普通PET/CT靈敏度低、輻射劑量高，難以應(yīng)用于孕婦和兒童。該設(shè)備靈敏度較傳統(tǒng)設(shè)備提高40倍以上，等效輻射劑量相當(dāng)于之前的四十分之一，人體受到的輻射劑量相當(dāng)于從北京飛到洛杉磯受到的射線劑量（低于國家規(guī)定的全年自然劑量）。設(shè)備掃描時間可以從現(xiàn)有的半小時縮短到一分鐘，實(shí)現(xiàn)亞秒級的藥物代謝分辨能力?！彼f，目前設(shè)備主要用于科研，可以對人體進(jìn)行從頭到腳同時觀察，使用一次的價格約為1萬元，距離大規(guī)模應(yīng)用還需幾年。

他說，設(shè)備可以用于研究藥代動力學(xué)，觀察病人服藥以后各個器官的代謝情況。它在中醫(yī)研究中也頗有價值，比如針灸穴位得不到全身功能信息的有效印證，而這臺新型影像設(shè)備可以提供實(shí)驗依據(jù)，觀察從頭到腳的經(jīng)絡(luò)在人體中如何相互作用。

捕捉地球磁場的1/10億的神經(jīng)元放電磁場

“CT、磁共振在結(jié)構(gòu)性疾病的日常診斷上發(fā)揮了極大作用，比如腫瘤、血管堵塞，但對于很多神經(jīng)精神疾病的診斷還是無能為力。大腦神經(jīng)元放電產(chǎn)生的磁場是地球磁場的1/10億，非常微弱，這臺先進(jìn)的機(jī)器可以有效觀察到這些信號，幫助解決這個問題。”北京大學(xué)物理學(xué)院教授高家紅指著新一代無液氮腦磁圖成像設(shè)備說。

據(jù)他介紹，神經(jīng)精神疾病主要的表征是神經(jīng)元放電異常，比如說癲癇就是神經(jīng)元不該放電時突然放電了，抑郁癥則是該興奮的時候神經(jīng)元不放電。這臺設(shè)備的時間分辨率是毫秒量級，空間分辨率是毫米量級。“神經(jīng)精神疾病并不是一直在犯病，比如癲癇突然發(fā)作時間非常短暫，所以需要時間分辨率非常高。設(shè)備完全可以捕捉到任何微小且短暫的變化。目前的設(shè)備需要人躺著靠近探測器，檢測半小時左右，未來患者可以戴腦磁帽，在小范圍自由行走時也能檢測?！?/p>

他說，目前該設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用于華西醫(yī)院和三博醫(yī)院，并收集臨床數(shù)據(jù)，為疾病診斷提供數(shù)據(jù)支持。

“超級”顯微鏡可助力回答病理過程

在裝置二的大樓里，各種各樣的顯微鏡正在工作，它們研究的對象是細(xì)胞和組織。為了把這些顯微鏡的功能發(fā)揮到極致，整個系統(tǒng)搭建了重達(dá)5000噸的懸浮臺，底下使用了88個氣浮柱，將外界震動徹底隔絕。

經(jīng)過風(fēng)淋系統(tǒng)潔凈區(qū)后，中國科學(xué)院生物研究所李棟研究員帶領(lǐng)記者近距離了解其中一臺顯微鏡——三維結(jié)構(gòu)光照明單分子追蹤顯微鏡。他說，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡放大倍率大概是1000倍，對應(yīng)的是200納米尺度，就是一根頭發(fā)絲千分之一的直徑，在這個尺度以下的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)不能被傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡分辨。

這臺套的設(shè)備在達(dá)到60-100納米分辨率的條件下，依然能夠保持活細(xì)胞成像的性能，無損觀測蛋白分子或者核酸分子的行為和作用，以及其導(dǎo)致的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化和對應(yīng)的生理、病理過程。

比如告訴老百姓吃什么東西會致癌、為什么致癌、它的分子機(jī)理是什么，為分子機(jī)理研究提供更為精準(zhǔn)的工具。

設(shè)施建設(shè)催生一批自主研制的科學(xué)裝備

“成像設(shè)施將打通尺度壁壘，多層次、全景式揭示生命的奧秘?！北本┐髮W(xué)國家生物醫(yī)學(xué)成像科學(xué)中心主任、成像設(shè)施首席科學(xué)家程和平院士表示。設(shè)施已吸引29項數(shù)字生命重大項目建議書，未來將圍繞腦科學(xué)、腫瘤診療等國家戰(zhàn)略方向開展系統(tǒng)性攻關(guān)。

生物物理所學(xué)術(shù)委員會主任、成像設(shè)施總工程師徐濤院士表示：“設(shè)施建設(shè)催生了一批自主研制的科學(xué)裝備，今后將繼續(xù)推進(jìn)科研裝備的國產(chǎn)化進(jìn)程?！痹谠O(shè)施建設(shè)和運(yùn)行過程中，僅生物物理所就研制出世界領(lǐng)先的冷凍光電關(guān)聯(lián)顯微鏡、納米分辨率單分子定位顯微鏡、活細(xì)胞超分辨成像顯微鏡等具有自主知識產(chǎn)權(quán)的儀器，并實(shí)現(xiàn)部分關(guān)鍵核心部件的國產(chǎn)替代。

成像設(shè)施將實(shí)行開放、流動、擇優(yōu)的機(jī)制，面向全國開放共享，還將與美國、歐盟等地生物醫(yī)學(xué)成像平臺建立國際聯(lián)盟。成像設(shè)施將為復(fù)雜生命科學(xué)問題和重大疾病的研究提供成像組學(xué)研究手段，全景式研究和解析生物醫(yī)學(xué)重大科學(xué)問題，推動生物醫(yī)學(xué)研究的范式變革。

同時，成像設(shè)施將成為引領(lǐng)、帶動技術(shù)和方法創(chuàng)新的國家基地，與高校、科研院所、生物醫(yī)學(xué)成像相關(guān)企業(yè)等組建產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟，打造生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)“產(chǎn)學(xué)研用”的創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境，為高端生物醫(yī)學(xué)影像裝備實(shí)現(xiàn)“中國創(chuàng)造”提供戰(zhàn)略支撐和保障。

新京報記者 張璐

編輯 樊一婧 校對 劉軍