二次谐波成像及其在生物医学领域的应用

摘要

生物学的发展往往依赖于以新技术、新方法，激光扫描荧光成像、特别是双光子荧光成像等三维高分辨光学显微方法为在细胞和组织层次动态观测生物过程提供了有力工具。最近，已经具有三十多年历史的光学二次谐波方法在生命科学中重新引起了关注。实验发现，胶原、肌肉、微丝微管等生物样品都能够产生强烈的二次谐波,信号的强度、偏振和空间分布同生物分子的结构、其长程链接方式、以及其所处微观环境都有密切的关系，都可以用于这些指标的动态观测。二次谐波产生并不依赖吸收过程，光子与生物体作用时没有能量损失，避免了荧光测量伴随的光漂白和光损伤作用；二次谐波测量不需要对样品染色，可以简化实验过程并避免外源性染料分子对生物体影响。最重要的是，二次谐波与双光子荧光测量实验装置基本相同，很容易实现两者复合成像，从互补的两个不同侧面获得生物体系信息。由于以上特点，近两年，二次谐波成像已经在细胞生物学、发育生物学研究和临床医学诊断等领域显示出诱人的应用前景。通过改进一台双光子扫描荧光显微镜，实现了双光子荧光与前/后向二次谐波复合成像。本文将介绍二次谐波成像方法研究及应用的最新进展，并结合研究结果，针对生物组织中二次谐波的来源、不同样品制备方法的影响、在生物学研究和临床诊断中的应用等问题进行讨论。