全景式解析生命奧秘，多模態跨尺度生物醫學成像設施通過國家驗收

3月21日，國家重大科技基礎設施——多模態跨尺度生物醫學成像設施在北京懷柔科學城通過國家驗收。該設施是「十三五」國家重大科技基礎設施建設項目，將為生命科學研究和重大疾病診治提供全尺度、多模態的成像技術支撐，助力全景式解析生命奧秘。

跨越9個尺度，對生命體進行可視化觀測與精確測量

隨著研究手段的革新，生物醫學研究正發生著巨大變革。成像技術作為生物醫學最重要的研究工具之一，將在重大生物醫學問題的研究中扮演關鍵角色，成為推動生命科學基礎研究和臨床醫學研究發展的核心動力。

多模態跨尺度生物醫學成像設施旨在通過研發並有機整合不同成像模態，打造在時空尺度和模態上無縫對接的、從分子到人的「一體化」生物醫學成像技術集群。設施於2019年5月經國家發展改革委批複，由北京大學與中國科學院生物物理研究所（以下簡稱「生物物理所」）共同推動，並聯合哈爾濱工業大學、中國科學技術大學等多家單位進行建設，總投資為17.17億元。

其核心裝置包括多模態醫學成像裝置（裝置一）、多模態活體細胞成像裝置（裝置二）、多模態高分辨分子成像裝置（裝置三）及全尺度圖像數據整合系統，可對生命體從分子到器官的結構與功能進行跨尺度可視化觀測與精確測量。

為何叫跨尺度？北大未來技術學院副院長孫育傑解釋，裝置一是醫學成像裝置，主要看宏觀的人體和器官；裝置二主要看細胞，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個尺度的數據通過影像的方式呈現出來，再用裝置四進行整合，更全面地看待生命，解答疾病的問題。」

全人體PET/CT設備可一分鐘完成高圖像質量掃瞄

在裝置一的大樓中，記者看到了一個類似醫院CT的設備。據北京大學未來技術學院任秋實教授介紹，這台全人體PET/CT設備是目前臨床最高靈敏度的腫瘤檢測技術之一。

「目前醫院大多使用的普通PET/CT靈敏度低、輻射劑量高，難以應用於孕婦和兒童。該設備靈敏度較傳統設備提高40倍以上，等效輻射劑量相當於之前的四十分之一，人體受到的輻射劑量相當於從北京飛到洛杉磯受到的射線劑量（低於國家規定的全年自然劑量）。設備掃瞄時間可以從現有的半小時縮短到一分鐘，實現亞秒級的藥物代謝分辨能力。」他說，目前設備主要用於科研，可以對人體進行從頭到腳同時觀察，使用一次的價格約為1萬元，距離大規模應用還需幾年。

他說，設備可以用於研究藥代動力學，觀察病人服藥以後各個器官的代謝情況。它在中醫研究中也頗有價值，比如針灸穴位得不到全身功能信息的有效印證，而這台新型影像設備可以提供實驗依據，觀察從頭到腳的經絡在人體中如何相互作用。

捕捉地球磁場的1/10億的神經元放電磁場

「CT、磁共振在結構性疾病的日常診斷上發揮了極大作用，比如腫瘤、血管堵塞，但對於很多神經精神疾病的診斷還是無能為力。大腦神經元放電產生的磁場是地球磁場的1/10億，非常微弱，這台先進的機器可以有效觀察到這些信號，幫助解決這個問題。」北京大學物理學院教授高家紅指著新一代無液氮腦磁圖成像設備說。

據他介紹，神經精神疾病主要的表徵是神經元放電異常，比如說癲癇就是神經元不該放電時突然放電了，抑鬱症則是該興奮的時候神經元不放電。這台設備的時間解像度是毫秒量級，空間解像度是毫米量級。「神經精神疾病並不是一直在犯病，比如癲癇突然發作時間非常短暫，所以需要時間解像度非常高。設備完全可以捕捉到任何微小且短暫的變化。目前的設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，在小範圍自由行走時也能檢測。」

他說，目前該設備已經應用於華西醫院和三博醫院，並收集臨床數據，為疾病診斷提供數據支持。

「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，它們研究的對像是細胞和組織。為了把這些顯微鏡的功能發揮到極致，整個系統搭建了重達5000噸的懸浮台，底下使用了88個氣浮柱，將外界震動徹底隔絕。

經過風淋系統潔淨區後，中國科學院生物研究所李棟研究員帶領記者近距離瞭解其中一台顯微鏡——三維結構光照明單分子追蹤顯微鏡。他說，傳統的光學顯微鏡放大倍率大概是1000倍，對應的是200納米尺度，就是一根頭髮絲千分之一的直徑，在這個尺度以下的亞細胞結構不能被傳統的光學顯微鏡分辨。

這台套的設備在達到60-100納米解像度的條件下，依然能夠保持活細胞成像的性能，無損觀測蛋白分子或者核酸分子的行為和作用，以及其導致的亞細胞結構的變化和對應的生理、病理過程。

比如告訴老百姓吃什麼東西會致癌、為什麼致癌、它的分子機理是什麼，為分子機理研究提供更為精準的工具。

設施建設催生一批自主研製的科學裝備

「成像設施將打通尺度壁壘，多層次、全景式揭示生命的奧秘。」北京大學國家生物醫學成像科學中心主任、成像設施首席科學家程和平院士表示。設施已吸引29項數字生命重大項目建議書，未來將圍繞腦科學、腫瘤診療等國家戰略方向開展系統性攻關。

生物物理所學術委員會主任、成像設施總工程師徐濤院士表示：「設施建設催生了一批自主研製的科學裝備，今後將繼續推進科研裝備的國產化進程。」在設施建設和運行過程中，僅生物物理所就研製出世界領先的雪藏光電關聯顯微鏡、納米解像度單分子定位顯微鏡、活細胞超分辨成像顯微鏡等具有自主知識產權的儀器，並實現部分關鍵核心部件的國產替代。

成像設施將實行開放、流動、擇優的機制，面向全國開放共享，還將與美國、歐盟等地生物醫學成像平台建立國際聯盟。成像設施將為複雜生命科學問題和重大疾病的研究提供成像組學研究手段，全景式研究和解析生物醫學重大科學問題，推動生物醫學研究的範式變革。

同時，成像設施將成為引領、帶動技術和方法創新的國家基地，與高校、科研院所、生物醫學成像相關企業等組建產業創新聯盟，打造生物醫學成像技術「產學研用」的創新生態環境，為高端生物醫學影像裝備實現「中國創造」提供戰略支撐和保障。

新京報記者 張璐

編輯 樊一婧 校對 劉軍