以生物影像科技“洞见”生命力——记北京大学未来技术学院分子医学研究所教授陈良怡

唐慧乔 王 辉

陈良怡

长期以来，如何在细胞层面“看得更清楚”一直是生物医学领域研究者关注的重要议题。为了回答这个问题，经过近3年的建设施工，由北京大学牵头的国家重大科技基础设施建设项目、我国在生物医学成像领域的首个国家重大科技基础设施——多模态跨尺度生物医学成像设施在2022年迎来全面竣工。这一包含了多模态医学成像装置、多模态活体细胞成像装置、多模态高分辨分子成像装置、全尺度图像整合系统及模式动物等辅助平台和配套设施的高端生物医学影像仪器装备，有效填补了我国在生命体结构与功能跨尺度可视化描绘及精确测量领域的空白，有望成为我国相关研究者和从业者破解生命与疾病奥秘的“神兵利器”。

从基础建设启动，到主体结构封顶，再到设施最终落成，见证了多模态跨尺度生物医学成像设施各个重要的时间节点，北京大学未来技术学院分子医学研究所教授陈良怡感慨万千。

专注于高端超分辨率显微镜技术相关研究及应用多年，陈良怡以先行者的姿态，多次踏足“人迹罕至”的科研空白领域，研发出一系列具有突破意义的科研成果；而以赤诚之心投入相关成果的实践和转化的过程中，他又是领域内当之无愧的践行者。“在活细胞层面看清楚疾病发生和变化的过程，了解疾病的发病机制，进而找到治疗疾病的药物和方法，这就是超分辨显微镜的意义，也是我不断追寻的科研梦想。”陈良怡如是说道。

从“偶遇”到热爱

“21世纪是生物学的世纪。”这句话曾经鼓舞和吸引了众多年轻人进入生物学相关专业，陈良怡便是其中之一。本科时，就读于西安交通大学少年班的陈良怡便早早地产生了探索学科交叉领域的想法——在分班时，他选择了生物学与工程学相结合的生物工程与医学仪器专业，就此开始了为期4年的大学生涯。本科毕业后，陈良怡决心继续向学，华中理工大学（现华中科技大学）生物电子学专业成了他前行的全新一站。

“我来到华中理工大学时，生物电子学专业已经形成了研究电生理、应用膜片钳技术的传统，我国第一台膜片钳放大器就诞生于此。”陈良怡介绍道。在导师康华光教授的带领下，他开启了自己与生物物理的“第一次亲密接触”。以此为起点，陈良怡博采众长、不断摸索，他的研究道路也在这样的过程中逐渐清晰。以生物物理为原点、专注钙信号研究的陈良怡在顺利取得华中科技大学生物医学工程专业的博士学位后，又加入著名生物物理学家、美国科学院院士、拉斯科医学奖获得者伯蒂尔·希勒（Bertil Hille）教授的团队，在美国华盛顿大学生理与生物物理系展开博士后研究。

在漫长而又充实的求学路上，陈良怡一度感受到了“半路出家”带来的困扰。“和其他博士后聊天时，我觉得自己非常‘无知’，他们很快就能引经据典，讲出某个方向都有哪些实验室的重要贡献，是什么时候发生的。大家的交谈就像是在对‘暗语’，只有我一个人听不懂。”与此同时，他也在从研的过程中，看到了曾经的学习经历带给自己的优势——“交叉学科的学习背景，让我可以用更加多元的视角看待和思考科学问题，也似乎让我比纯粹生物背景或纯粹工程背景的同学要‘多懂一些’。”想通了这一点，陈良怡沉下心来继续畅游知识的海洋，一篇篇详细阅读过的文献材料、一摞摞条分缕析的学习笔记，都是他勤学的明证。大量阅读、摘录要点、及时回顾、全面思考，陈良怡用这样的方式逐步积累起自己对于学科全貌的认识和深刻见解，从而“真正理解并开始了生物物理研究”。

2004年6月，学成回国的陈良怡怀揣继续做科研的热情，就任中国科学院生物物理研究所副研究员，开始一步一个脚印地行走在生物物理及光学的基础研究路上。此后6年，在忙于科研的同时，陈良怡也不断思索着自己所做工作的价值所在。他期望能在深耕基础研究的同时，让这些研究成果更具实用性，使它们展示出“看得见的价值”。就此，陈良怡决心投身科研及转化前沿，恰逢此时，北京大学分子医学研究所向他伸出了橄榄枝。北京大学卓越的研究水平、良好的学科交叉基础，以及与各大高校、研究院所和企业丰富的合作经验，无疑为陈良怡实现“科研+实践”梦想提供了沃土。2010年，陈良怡正式加盟北京大学分子医学研究所，以教授及细胞分泌和代谢实验室主任的身份，展开对活细胞或活体小鼠光学成像的技术开发、胰岛素分泌调控机制等研究，以及利用自主研发不同尺度显微镜对各类疾病致病机制展开研究。从基础科研中来，到实际应用中去，为探寻疾病致病机制提供高效工具，并进一步推动相关疾病的治疗，成了陈良怡此后十余年为之付出心血和汗水的不悔方向。

程和平院士（左四）与包括陈良怡（右一）在内的多模态跨尺度设施负责人合影

“无知无畏”探前沿

来到北京大学以后，陈良怡颇是体会了一番“万事开头难”的滋味。项目少、经费少、人员少的境况没有让他退缩，但高端生物医学影像仪器的缺位却让陈良怡甚至整个团队的工作举步维艰。正所谓工欲善其事，必先利其器。2013年，同为北京大学分子医学研究所一员的程和平院士决心“主动出击”，牵头申请了国家重大科研仪器研制项目“超高时空分辨微型化双光子在体成像系统”。

一心想要做好活体活细胞超分辨率成像的强烈愿望让陈良怡主动请缨，加入程和平院士组织的攻关大团队。然而当时他甚至没有使用双光子显微镜的经验，更不用说搭建微型化双光子显微镜。等到团队顺利拿下项目，在与程和平院士一道拜访国外顶尖实验室、向业内专家前辈请教学习时，陈良怡才真正意识到他们接下来要做的工作是怎样的困难——“当时学界关于微型化双光子显微镜的看法并不乐观：一方面，当时微型化双光子显微镜已有不少所谓的‘成品’，很多人认为其技术含量并不高；另一方面，以神经科学家为代表的‘客户群体’和技术开发者觉得微型化双光子是做不出来的，即使做出来，在实际的活体小鼠上由于运动伪影及其他原因也达不到高分辨率成像的效果。”面对这样的局面，陈良怡在与程和平院士讨论时，不禁发出了“之前的我们真是无知啊”的感慨。

然而“军令状”已立下，绝没有畏葸不前的道理。“既然接下国家这个活儿，我们还是要尽全力去做好；既然不懂，那我们更应该通过努力自学整个方向的理论体系和研究前沿，努力做到最好。”程院士的话鼓励了陈良怡，接下来的5年，他的每个周末几乎都在研读国际最新的研究论文、梳理总结、交流学习和团队讨论中度过。从亦步亦趋的跟随，到找到技术的关键难点，再到逐一攻克包括新型空心飞秒光纤、MEMS扫描器件和微型化透镜的设计，光路系统的整合和迭代优化思维，微型化探头的固定，小鼠手术和训练在内的多项技术难题，陈良怡和团队共同走过了一条边学边做、随思随行的长路。最终，通过运用微机械、微光学、超快光纤激光和半导体光电子学等技术，陈良怡及其团队在高时空分辨在体成像系统研制方面取得突破性技术革新，成功研制出2.2克微型化佩戴式双光子荧光显微镜，在国际上首次记录了悬尾、跳台、社交等自然行为条件下，小鼠大脑神经元和神经突触活动的高速高分辨图像。相关成果发布于《自然·方法》（Nature Methods）后更是引起了整个在体高分辨率成像领域的关注，2014年诺贝尔生理学或医学奖获得者、神经科学家爱德华·莫泽（Edvard Moser）称赞其为“革命性”工具。

在微型化双光子显微镜搭建取得阶段性成果后，陈良怡将目光再一次投向了一直以来钟情的“如何能够实现通用的活细胞上超分辨率成像”课题。通过对可能性方法的反复探究，陈良怡及其团队在前人研究成果的基础上，首次提出结构光成像重建存在内在伪影，阐明了结构光超分辨率成像会产生伪迹的各种原因，并就如何降低光毒性的同时压制重建伪迹，实现通用超分辨成像等问题提出可行性方案。2018年，相关成果发表在《自然·生物技术》（Nature Biotechnology）上，并入选2018年度中国光学十大进展。

在文章发布后，陈良怡收到了业界越来越多关于“能否进一步提高活细胞超分辨率显微镜的空间分辨率”的提问。而在与哈尔滨工业大学的李浩宇博士进行合作的过程中，他给出了肯定的答案。就此，双方团队一起开始了进一步提升“2018方案”的尝试和改进：基于“信号在时间空间上是连续的”这一普适先验知识基础，结合之前提出的信号空时连续性先验知识，团队增添了对于图像相对稀疏的约束条件，并用Richardson-Lucy解卷积算法来处理荧光图像，突破现有荧光显微系统的光学硬件限制，首次实现通用计算荧光超分辨率成像，可实现目前活细胞光学成像中最高空间分辨率（60纳米）下速度最快（564赫兹）、成像时间最长（1小时以上）的超分辨成像，进一步推动了分辨率的极限。通过实验，陈良怡惊喜地发现，用这种算法进行解算后，整个细胞内的线粒体嵴结构和肌动蛋白网格出现了更好的对比图像，甚至可以看到活细胞核膜上的环状核孔结构，以数学方法提高分辨率的可能性被成功验证。经过为期一年半的回应和答疑，稀疏解卷积（sparse deconvolution）首次证明了在实际样本中数学超分辨是可能的，且在各种各样的情况下均有效；2022年，这一被评为2021年度中国光学领域十大社会影响力事件、入选科技部主办的“十三五”科技创新成就展及“首届全国颠覆性技术创新大赛”总决赛优胜奖（最高奖）的成果再一次见诸《自然·生物技术》，实现了陈良怡“闪电两次击中同一个地方”的梦想。

与燕园相伴一纪有余，陈良怡仍觉探索未知是自己科研生命的一种常态，也是一种充满挑战的新奇和幸福。如今回首来时路，陈良怡如是总结：“无知是一种幸福”——“无知者无畏。正是因为‘无知’，我们可以不被之前认知所限制，从头、无偏好地评价实现路径的每一方面，同时将最新的数学方法、光学、电子、器件等各个方面的进展都整合进来，从而做成大家认为不可能的事情。”

顽强成就新天地

陈良怡喜欢将学生称为“年轻的合作者”。在他看来，清晰的想法、自发的目标、不懈的努力，是年轻人走平走稳科研路的要诀。在给予充分尊重和悉心教导的同时，这位和煦的师者也反复地向学生强调着“要顽强不要顽固”的重要性。在交谈中，陈良怡讲述了首次在《自然·生物技术》上发表文章的曲折经历。在降低光毒性的同时压制重建伪迹、实现通用超分辨成像方面取得了开创性成果后，陈良怡信心满满地将相关成果投递期刊，却被言辞激烈的审稿意见打了个措手不及。除了被拒稿的结果和几十页近乎苛刻的意见外，一位审稿人甚至还对陈良怡团队的工作成果做出了“不够格”的评价。多年的辛苦成果被轻描淡写地否定，团队中的每个人都深感不平。不过等到情绪平复下来，陈良怡第二次、第三次、第四次阅读审稿人的意见时，除了对自尊心被刺痛的感觉逐渐“脱敏”，他也逐步认识到审稿人看似尖锐意见背后的合理性。尤其是自己的团队当时在领域内名不见经传，更容易引起审稿人对于数据真实性和结果可靠性的怀疑。为此，陈良怡决心与团队成员一道，努力去复现所有别的算法（因其尚未开源），努力做到最好来证明给审稿人看。“大家埋头工作3个月，通过仿真、实验及他人的算法重现回答审稿人的每一个问题。”然而这一次，他们等到的仍是拒稿的坏消息。

陈良怡团队合影

连番的打击没有让陈良怡和他年轻的团队“知难而退”，反而激起了他们不断奋进、以无可辩驳的研究成果为自己“正名”的决心。通过一次又一次的尝试，团队成员成功地用结构光超分辨率显微镜拍摄了活细胞中荧光标记的线粒体，成像相较于之前用其他超分辨率显微镜拍出图像的清晰程度有明显提升，甚至可以看到对于线粒体产生能量非常重要的内嵴结构。最终，他们终于拍出完美的活细胞中线粒体内嵴结构动态，这也是人类可以第一次清楚看到活细胞内线粒体内嵴的结构动态，这对于生物医学研究者来说意义极为重大，而这一数据也为陈良怡团队反复打磨的文章起到了一锤定音的效果。最终这篇“几经波折”的文章得以成功发布，并收获了《自然·方法》的高级编辑丽塔·斯特拉克（Rita Strack）“在低信号强度下表现远优于目前的算法，并允许在传统结构光超分辨率成像所需要的一小部分光子剂量下成像”的高度评价。

“相信自己的研究成果是对的，同时接受别人对此提出的意见，并用不同方法、不同角度来验证成果，用严谨的实验和精准的数据证明自己，是顽强；陷于愤怒的个人情绪、固守一套研究方法一成不变，是顽固。在面对质疑和打击时，我们选择思考这些意见的核心观点是什么，然后设计实验用事实去说服他们。这是顽强和顽固之间的差别，也是我们从无到有成功的经验。”陈良怡解释道，“具体到学生职业规划道路的选择，我也保持着同样的看法。成功从来不是只有一条路径。无论是选择继续做科研，或是选择投身企业，在我看来每条路都是成功的。我的任务就是充分引导和培养学生独立的学科思维，让他能够在自己喜欢、擅长的领域发光发热。”

科研之外，顽强而不顽固的陈良怡，也将科研触角延伸至科技成果转化的第一线。作为广州超视计生物科技有限公司（以下简称“广州超视计”）的创始人，他带领团队将自主研发的HiS-SIM智能超灵敏活细胞超分辨显微镜（以下简称“HiS-SIM显微镜”）进行商品化。据陈良怡介绍，HiS-SIM显微镜是超灵敏的超分辨显微镜，具有光毒性小、速度快、无探针要求等显著优点。通过与稀疏解卷积算法结合，它可以在不牺牲时间分辨率的情况下提高空间分辨率；同时作为一个通用的超分辨率显微镜，它在细胞生物学上、神经生物学等领域的应用同样表现上佳。2020年，陈良怡团队在《科学通报》（Science Bulletin）上发表文章，证明活细胞超分辨率成像可以用于罕见病佩梅病的临床分型和药物筛选；而经过硬件和软件方面的多次优化、搭载自主研发的活细胞超分辨率成像技术，同时可以做到“即所见、即所得”的HiS-SIM显微镜，一经问世便收获了广泛好评。目前，中国科学院生物化学与细胞生物学研究所、武汉大学、华中科技大学、厦门大学、吉林大学等国内科研院所及高校先后成为广州超视计的用户，包括同仁医院、阜外医院在内的知名医院与广州超视计展开“超分辨病理”的相关合作，而稳定运行、技术领先的HiS-SIM显微镜也即将漂洋过海，出口到美国、澳大利亚及欧洲等国家和地区。“HiS-SIM显微镜是通用工具，可以研究多种疾病的发病机制，可以为医生寻找靶向药物、及时诊断治疗提供依据，也解决了我国在这一领域的‘卡脖子’问题。在实现我自己从科研走向实践梦想的同时，也为国家相关事业出一份力，我感到十分荣幸。”陈良怡笑着说道。

如今作为多模态跨尺度生物医学成像设施工程建设的重要负责人之一，始终淡然平和的陈良怡依旧步履不停，“把超分辨技术做到极致”“超分辨成像技术智能化”将是他未来为之奋斗的方向。“我们所做的工作是典型的从基础研究出发、从交叉学科出发，积极投身转化实践的过程。现阶段，很多科研工作都行进到了非常高的水平，想要‘百尺竿头更进一步’也绝非易事。这就要求我们不能有丝毫懈怠，在理论创新、技术创新、产品创新等方面不断寻找新的突破口。我相信，生命、细胞，还有太多未被探知的终极奥秘。做正确的事情，不断创新，永葆热爱。我们终将看到，我们必须看到。”