本實驗室的研究專注於發展光學技術,且應用這些技術闡述基礎生物物理過程並改善人類的健康。

1.  發展生醫光學影響之技術

二階極化張量顯微術                              

       在非線性光學現象中,多光子激發之螢光與二倍頻顯微術都成功的被應用在生物結構之影像觀測。不同於單光子激發過程,雙光子激發(多光子激發中的第一級)主要來自於兩個光子能量之同時吸收而達到激發分子之效應 ()。在此效應下,激發的反應只會在焦點內產生,因此不僅減少生物組織上的光破壞同時也達到光切片的功能。雙光子所利用的近紅外光激發波段較容易進入生物組織之深層部位,因此提供了生物組織深層造影功能。這些優點也使得多光子顯微術成為各種生醫影像應用的主要技術之一。二倍頻訊號,其來自於激發光與非中心對稱結構之非線性極化效應,與多光子顯微術擁有相同的優點,同樣的被廣泛應用於生醫影像之系統中。

  

圖一: 雙光子激發示意圖。左圖:分子於單光子激發過程中主要來自於吸收在紫外光或可見光波段單顆光子。(右圖): 雙光子激發過程,分子藉由同時吸收兩顆近紅外光之光子能量而到達激發態。

    除了多光子螢光與二倍頻顯微術之研究,我們同時發現二階極化張量也可被用於分辨膠原蛋白等非中心對稱結構之組織。由於膠原蛋白不僅是人體最豐富的蛋白質之一,同時也在維持生理組織結構與功能中扮演著重要角色,因此發展其相關檢測技術同時將其應用於器官修復的組織工程是相當重要的。我們的研究發現二階極化張量顯微術中的二階磁化率比值(cxzx/czxx czzz/czxx )可以有效辨別第一型與第二型膠原蛋白並在影像中呈現出來 ()

    

:人類骨髓間葉幹細胞於軟骨分化之二階極化張量影像。A圖與B圖分別代表cxzx/czxx czzz/czxx 之影像。黃色與綠色箭頭分別標示出第一型與第二型膠原蛋白之所在區域。

飛秒雷射燒蝕顯微術

    雷射聚焦光束除應用於顯微影像之外,亦可在顯微尺度之下矯正生物組織結構。如圖所示,膠原蛋白纖維在經過鈦藍寶石雷射掃描之後可以有效切割膠原蛋白纖維並保留其纖維結構之完整性。在顯微尺度下精確的掌控生物組織結構不僅可以幫助我們了解不同成分的組織作用,同時也提供了建構理想生物組織結構的另一種可能技術。

     

: 飛秒脈衝雷射燒蝕顯微術修正大鼠尾巴筋鍵之膠原蛋白結構影像。A圖與B圖分別表示雷射沿藍線切割筋鍵前後之影像。 比例尺: 20 微米

2.  闡述生物物理機制

生物系統中的奈米粒子的運輸

    人類對於利用奈米粒子作為藥物分子的傳輸工具或其他治療過程的應用有相當大的興趣。因此,了解奈米粒子在生物組織中的運輸機制或許會有助於設計並改善這些粒子運輸的策略。目前我們研究了奈米粒子在皮膚和肝臟的傳輸過程。如圖所示,我們擷取了螢光奈米粒子分別在皮膚和肝臟的影像。從圖中我們可以知道,在皮膚上,奈米粒子的運輸主要局限於細胞間隙;然而在肝臟中,帶負電荷的螢光奈米粒子是由肝臟中的庫氏(Kupffer)細胞進行處理。

    

: (A) 在皮膚進行運輸時,螢光奈米粒子(藍色)主要是座落在細胞間隙的區域中。 (B) 在肝臟中,主要是由Kupffer細胞(紅色)攝入帶負電荷的螢光奈米粒子(黃色箭頭)並進行代謝。比例尺: 50微米

活體肝臟系統代謝

   肝臟是生理運作上不可或缺的器官,包括分泌白蛋白以及一些分子的解毒作用。我們透過活體多光子顯微術觀察螢光分子被細胞所攝入,過程以及所排泄的過程。圖6-carboxyfluorescein diacetate (6-CFDA)在肝臟的多光子隨時間影像。在肝細胞內分解酵素的作用下,6-CFDA被轉變為具有螢光特性的6-carboxyfluorescein (6-CF),此一螢光分子最後會被排泄到膽小管。在這些圖片中,整個過程可以依循分子內的綠色螢光位置,來指示6-CF的整個代謝過程。隨著時間,肝細胞內的6-CF因為被排泄到微膽管中而螢光強度逐漸減弱。這個方法可以讓我們研究肝臟的動態傳輸過程,以及深入理解不同疾病上如何影響此一生物物理的過程。

: 6-CFDA的攝入、處理以及排泄出肝細胞的隨時變之多光子影像。紅色為血管,綠色為螢光分子6-CF,黃色所標示為6-CF被排泄到微膽管的影像。星狀符號所標示為肝細胞核的位置。比例尺: 50微米

 

3.  發展臨床診斷技術

皮膚的老化

    皮膚的真皮組織結構會隨著年紀而有所改變。其中彈性纖維相對於膠原蛋白纖維有增加的趨勢。我們利用多光子螢光和二倍頻顯微術來觀察不同年紀病人的真皮組織,如圖六,彈性纖維和膠原蛋白纖維可以用自發性螢光和二倍頻訊號的頻譜差異來區別。因此,我們的方法可以用於真皮組織的老化研究。此外,在臨床實驗這個方法可以精確的評估皮膚光老化的現象。

              

圖六、在不同年紀的情況下,人類真皮組織所呈現的多光子螢光和二倍頻影像(左到右:204070 )。在人類老化的過程,彈性纖維(綠色為自發性螢光)相對於膠原蛋白纖維(藍色為二倍頻)有增加的現象。比例尺: 50微米。

眼角膜疾病

    透明的角膜是人類視覺系統中聚焦的主要原件。因此角膜疾病的光學診斷對眼科醫師而言是ㄧ大挑戰。然而由於角膜主要是由第ㄧ型膠原蛋白組成。因此該非中心對稱結締組織所產生二倍頻訊號可有效的被用於生醫造影。例如角膜疾病特性可以被有效地以多光子螢光激發及二倍頻顯微鏡加以成像。圖七所示影像分別為圓錐狀及棘阿米巴角膜炎與綠膿桿菌雙重感染的人類角膜組織。

      

圖七:多光子螢光激發(綠色)二倍頻訊號(藍色A圖為錐狀角膜B圖為棘阿米巴角膜炎與綠膿桿菌雙重感染之角膜。