大视场双光子显微成像系统研究进展(特邀)

双光子显微成像具备高分辨率、天然层析能力和大穿透深度等特点,在活体动物成像中发挥着重要作用。然而,如何在维持高分辨率的条件下,扩大双光子的成像视场,来满足生物医学中对大规模动态反应的监测需求,一直以来都是光学显微成像领域的难点,也是科研关注的重点。综述了大视场双光子成像技术的研究进展。首先介绍了双光子显微成像系统的产生背景和设计原理,并从光学不变量的角度阐述了实现大视场双光子成像的理论基础。然后重点回顾了现有的几种大视场双光子成像方法,分别包括了扫描中继系统的边缘像差校准、高通量物镜的设计研发和自适应光学方法的使用。基于双光子成像的高时间和空间分辨特性,大视场双光子成像技术将成为一种在脑科学等需介观高分辨成像领域的应用中实现大区域动态监测的强有力的工具。

单手操作手机时常见拇指动作关节角度与接触力测量和分析

目的研究单手操作手机时拇指的关节角度与接触力,分析拇指关节的关节角度与接触力的生物力学特征以及影响因素,为拇指狭窄性腱鞘炎的预防、康复以及治疗提供生物力学依据。方法使用Vicon光学运动捕捉系统和电阻式薄膜力传感器采集大学生志愿者单手操作手机时拇指关节角度和指尖接触力,并对人体参数、关节角度和接触力进行统计学多因素相关性分析。结果通过仪器测量得到单手手机操作时上滑、顺时针转、右点、左点、左滑等动作的关节角度与接触力;统计分析表明,手长、拇指总长对各关节角度均值和最大接触力有显著影响(P<0.05),且手长与掌指关节角度均值、最大接触力基本呈负相关。结论减小拇指运动幅度避免拇指过伸或过屈,或减少使用手机的频率,或减少操作手机的作用力,可以一定程度上减少拇指屈肌腱和腱鞘与骨纤维管道的摩擦力以及相互之间的挤压力,从而可以减少拇指狭窄性腱鞘炎的形成。

深层生物组织光学技术发展及其应用(特邀)

光学技术在生物医学中扮演着越来越重要的角色,其非电离辐射、高分辨率、高对比度和对生物组织异变高度灵敏等特性使其非常适用于生物组织的研究,包括成像、传感、治疗、刺激以及控制等。然而由于光折射因子在生物组织中的分布是不均匀的,光在生物组织中的传播会受到很强的散射影响,故纯光学技术的穿透深度和空间分辨率是“鱼和熊掌不可兼得”;高分辨率光学成像应用仅限于样品浅表层,当成像深度增加时分辨率急剧下降。实现光在深层生物组织里的高分辨率成像或应用是人们期盼已久的目标。近年来,为解决这一问题,研究者提出了不同的方法,例如切换到更长的光波长以减小组织散射系数,在信号检测时将漫射光转换为散射不明显的超声信号,逆转或者预先补偿由光的多次散射所带来的相位畸变,或借助光纤等微创光学通道实现深层生物组织的高分辨率光学成像、刺激等。基于团队在深层生物组织光学相关领域多年的耕耘,从光在生物组织中的传播特性出发,梳理和总结了近年来研究人员在光-声结合和光学波前整形技术等方面展开的诸多探索,以及在生物组织操控、成像、光学计算以及人工智能等领域中的应用尝试。虽然尚有诸多不足,但随着硬件设备的更新和计算技术的发展,在不远的将来有望实现活体深层生物组织光学高分辨率应用。在这一求索过程中,新方法和新能力将不断激发新的应用灵感,为光学尤其是生物医学光子学带来全新的理念和机遇。

24式太极拳足踝关节主要运动方式分析

运用文献资料法、录像观察法和访谈法,根据解剖学知识,按24式太极拳套路顺序和步型转换统计足踝运动方式并进行分析,研究表明:24式太极拳中八种足踝关节运动方式都存在,其中以背伸和跖屈为主,分别占48.03%和34.50%,练习24式太极拳可改善足踝的跖屈和背伸肌肌力;但24式太极拳中足踝关节的内外翻运动方式较少,各占0.87%,可以和其他足踝运动方式编排所需组合;跖屈、背伸、内旋、外旋主要集中在丁字步和弓步转换上;提膝和仆步转换中包含六种足踝关节运动方式,其中内收和内翻为该步型转换独有。

矫形器和运动训练对青少年特发性脊柱侧凸的效果比较

目的探讨矫形器和运动训练治疗青少年特发性脊柱侧凸(AIS)的疗效以及两种治疗方法对患者心理状况和生活质量的影响。方法2017年7月至2018年2月,选取10~16岁、Cobb角25°~40°的特发性脊柱侧凸患者55例,分为运动训练组(n=25)和矫形器组(n=30),并进行对应治疗。分别记录患者治疗前、治疗3个月、治疗6个月后的Cobb角、躯干位移(TS)、顶椎旋转度(AVR)和顶椎偏离中线距离(AVT),并于治疗前和治疗6个月后采用国际脊柱侧凸研究学会22项问卷(SRS-22)对生活质量和心理状态进行评定。结果治疗后,运动训练组SRS-22中功能/活动度、疼痛、自我形象/外观和治疗满意度评分均优于矫形器组(t>2.137,P<0.05)。治疗3个月及治疗6个月后,两组Cobb角均显著小于治疗前(t>4.461,P<0.001);治疗6个月后,矫形器组Cobb角小于运动训练组(t=2.548,P<0.05)。治疗3个月后及治疗6个月后,两组TS、AVR和AVT均优于治疗前(t>2.338,P<0.05);治疗6个月后,矫形器组TS、AVR、AVT均优于运动训练组(t>2.259,P<0.05)。结论单独的运动训练对Cobb角为25°~40°的AIS患者有较好的疗效,且在心理状况和生活质量方面的改善优于矫形器治疗,但是在脊柱侧凸畸形的改善方面不如矫形器治疗。

行走速度对大腿截肢患者步态协调性的影响

大腿截肢患者无论是自认为舒适的速度,还是最高行走速度都远低于正常人。而步态协调性分析可以体现出运动的整体状态,以及在应对不同运动任务或者弥补运动缺陷时多关节之间互相配合所作的调整。但是截至目前,大腿截肢患者佩戴假肢之后对于不同行走速度时患者步态协调性的特征依然未知,认识的空白限制了假肢设计的改进和临床康复效果。本研究针对7例单侧大腿截肢患者通过佩戴日常使用的被动式大腿假肢分别以中速(自认为舒适的速度)、快速和慢速三种速度行走进行步态分析,研究不同速度时的患者步态协调性特征。采用配对t检验对患者以快速和慢速的步态分别与中速行走时作统计对比分析。显著性水平设为a=0.05。结果显示,对于行走速度的调节主要通过双侧下肢的髋关节进行;健肢针对不同速度的要求所进行的协调性调节主要发生在支撑相;慢速行走时对患者的运动控制能力挑战性更高,控制步态稳定更为困难;现有被动式大腿假肢的膝-踝协调性对于速度的自适应能力较弱;除此之外,研究还发现'自认为舒适'的行走速度是一种协调性最优的速度,患者在这种状态下步态的关节控制灵活度更高,运动控制更为容易。对患者在不同速度下行走的协调性特征进行研究有助于了解患者运动控制方式,识别患者运动缺陷,并指导假肢设计和临床康复针对性地提高改善。

基于磁共振成像残肢三维重建模型设计的压紧/释放型大腿假肢接受腔

目的探讨基于磁共振成像三维重建的残肢上设计和制作坐骨下缘压紧/释放型大腿假肢接受腔。方法采用1例大腿截肢患者的磁共振成像作为三维重建素材,接受腔的基础模板在SolidWorks软件中以零等距三维重建后的残肢外表面创建。利用软件的扫描曲面等功能对模板接受腔进行设计,此接受腔的穿戴结果应用有限元进行分析并用实验方法加以验证。结果压紧/释放型接受腔被成功创建,并利用有限元模拟得到残肢表面的压力分布。有限元分析得出残肢表面最大接触压力为218.5 kPa,F-scan压力传感器测得的最大压力为239 kPa。患者在穿戴接受腔后,残肢表面应力值在疼痛阈值和疼痛可耐受范围内,患者在问卷反馈中对此接受腔感到满意。结论基于重建的残肢三维影像资料构造压紧/释放型大腿假肢接受腔,为假肢接受腔的设计研究提供了一种更好的尝试。特别是当有限元分析和计算机辅助设计相结合时,计算机可以模拟接受腔的试样过程而对接受腔设计在初期进行优化,从而减少在患者身上的反复尝试。

石墨烯纳米颗粒通过靶向低细胞硬度特异性消除肿瘤干细胞

目的肿瘤干细胞(CSC)驱动肿瘤发展和癌症复发,因此成为癌症治疗的主要目标。研究表明,多种肿瘤中的CSC呈现较低的细胞硬度,且肿瘤细胞硬度与其恶性相关,然而细胞硬度能否用于靶向CSC还不清楚。方法通过水解法合成石墨烯量子点(GQD),利用药物及基因法改变细胞硬度,通过荧光成像及体内实验检测纳米颗粒摄入及肿瘤生长。结果细胞硬度与GQD的摄入负相关,软/硬化细胞增强/抑制纳米颗粒的摄取。CSC呈现较低的细胞硬度及较高的GQD摄取。

星形胶质细胞对神经退行性疾病影响的研究进展

神经退行性疾病是常见且难以治愈的疾病,给患者的生活带来了极大的不便。星形胶质细胞在神经退行性疾病中发挥重要作用。在神经退行性疾病患者神经系统中,受损的神经胶质细胞对周围的神经元可以产生毒性作用,造成神经元功能障碍,从而死亡。同时,受疾病影响产生的一些反应性星形胶质细胞可以保护神经元,清除神经元周围的有害物质,暂缓疾病的恶化。本综述将讨论星形胶质细胞在部分常见神经退行性疾病中发挥的作用,包括肌萎缩侧索硬化(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)、阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)和帕金森病(Parkinson’s disease,PD)。同时总结了星形胶质细胞对这些疾病发挥的共同作用,旨在进一步促进神经退行性疾病的研究进展。

细胞力学调控肿瘤细胞恶性

目的肿瘤细胞硬度比正常细胞低,且与其恶性反相关。探索肿瘤细胞硬度对自我更新及成瘤能力的影响及分子机理。方法采用基因及药物手段改变细胞硬度,利用原子力显微镜测量细胞硬度,通过3D fibrin、soft agar等检测肿瘤细胞的自我更新,利用皮下及原位注射小鼠模型检测成瘤能力。结果降低/升高细胞硬度提高/抑制肝癌细胞在soft fibrin中肿瘤克隆的大小及在soft agar中克隆数目。

JNK通路介导血流剪切应力引起的循环肿瘤细胞的上皮间充质转化以及存活

目的转移是癌症致死的主要原因,且肿瘤细胞主要通过血液循环扩散到远端器官。肿瘤病人血液中的循环肿瘤细胞(CTC)数目与其预后及生存相关。上皮间充质转化(EMT)在转移中起着重要作用,然而血流剪切应力对悬浮状态下CTC的EMT表型影响还不完全清楚。探讨血流剪切应力对CTC的EMT表型以及存活能力的作用及潜在机制。

剪切流通过Piezo1介导的核内YAP/TAZ和p73的相互作用调节悬浮瘤细胞的存活

目的肿瘤细胞主要经血液循环扩散至远端器官。肿瘤细胞在血液循环中处于悬浮状态,且承受相当大的剪切流。然而,悬浮循环肿瘤细胞(CTC)感知和响应剪切流的力传导机制尚不清楚。方法利用体外微流控装置模拟血液循环,qPCR和免疫共沉淀测量相关基因及蛋白表达,MTS及Annexin V检测CTC的存活。结果剪切流增加CTC中PIEZO1的表达,抑制/激活PIEZO1增强/降低剪切流下CTC存活率,表明Piezo1是CTC感知剪切流的力传感器。此外,剪切流激活肌动球蛋白。

细胞硬度调控肿瘤细胞转移器官偏好性

目的肿瘤转移是癌症患者死亡的主要原因。临床研究表明肿瘤细胞的转移不是随机的,而是表现出对特定器官的偏好性。尽管肿瘤细胞的内在生化因素对转移器官偏好性的影响已有广泛的研究,但肿瘤细胞的内在力学因素在器官偏好性中的作用却鲜有研究报道。探究了肿瘤细胞的硬度与转移器官偏好性的关系。

细胞力学调控肿瘤细胞自我更新及恶性

目的肿瘤细胞硬度比正常细胞低,且与其恶性反相关。探索肿瘤细胞硬度对自我更新及成瘤能力的影响及分子机理。方法采用基因及药物手段改变细胞硬度,利用原子力显微镜测量细胞硬度,通过3D fibrin、soft agar等检测肿瘤细胞的自我更新,利用皮下及原位注射小鼠模型检测成瘤能力。结果降低/升高细胞硬度提高/抑制肝癌细胞在Soft fibrin中肿瘤克隆的大小及在Soft agar中克隆数目,上/下调干性基因的表达,表明软/硬化细胞提高/抑制自我更新能力。

血流剪切应力调控循环肿瘤细胞的生存及功能

目的肿瘤细胞主要通过血液循环扩散到远端器官,且循环肿瘤细胞数目与病人预后及生存率相关。肿瘤细胞在血液中承受较大的剪切应力,然而血流剪切力对循环肿瘤细胞生存及功能的影响还不清楚。方法本项目开发了一个微流体系统模拟血液循环,通过各种方法分析经剪切流处理后肿瘤细胞功能,利用siRNA/shRNA、抑制剂及质粒调节基因表达。结果流体剪切消除大部分悬浮肿瘤细胞,存活细胞呈现抗化疗及独特力学性质。流体剪切升高Piezo1表达,抑制/激活它增强/降低细胞在剪切流中的生存能力,表明Piezo1是悬浮细胞感知流体剪切的力学感受器。存活细胞中Actomyosin随剪切力的增大而增强,激活/抑制其活性降低/提升肿瘤细胞的存活。流体剪切引起YAP/TAZ进入细胞核,抑制/激活其活性增强/减弱肿瘤细胞的生存能力,且抑制剪切引起的YAP/TAZ进核增加细胞存活,其活性可以挽救Piezo1及Actomyosin对悬浮细胞存活的影响,表明流体剪切通过Piezo1激活Actomyosin及YAP/TAZ引起细胞凋亡。流体剪切激活Hippo通路,抑制/激活该通路降低/升高细胞存活。核内的YAP/TAZ与p73结合,促进促凋亡基因的转录,引起细胞凋亡。结论血流剪切应力影响循环肿瘤细胞功能,且悬浮肿瘤细胞通过Piezo 1-Actomyosin-YAP/TAZ-p73通路感知流体剪切力,阐明Piezo1及YAP/TAZ可以作为潜在的目标用于消除血液循环中的肿瘤细胞。

太极拳搂膝拗步动作的踝关节生物力学分析

本文旨在分析太极拳搂膝拗步中踝关节软骨和主要韧带的生物力学响应。采集1名太极拳练习者搂膝拗步及正常行走时的运动学和动力学数据,作为有限元分析的载荷和边界条件,计算关节接触应力和韧带受力。研究结果表明,搂膝拗步动作时踝关节接触应力普遍小于步行时接触应力。但是,在搂膝拗步动作中距腓前韧带、跟腓韧带和距腓后韧带的最大拉力分别为130、169、89 N,对应在步态中仅分别为57、119、48 N。因此,踝关节炎的患者可以适当练习太极拳,但是踝关节外侧韧带扭伤的练习者在搂膝拗步时应适当减小足踝动作幅度。

利用深度学习扩展双光子成像视场

双光子成像技术已被广泛应用于活体肿瘤成像、神经功能成像以及大脑疾病研究等领域,但双光子成像视场较小(视场直径一般在1 mm以内),限制了其进一步应用。虽然通过特殊的光学设计或者自适应光学技术能够有效增大视场,但复杂的光路设计、高昂的器件成本以及繁琐的操作过程限制了这些技术的推广。提出了一种利用深度学习技术替代自适应光学技术扩展双光子成像视场的新思路,在低成本(无须特殊物镜,无须相位补偿装置)、易操作的前提下实现了大视场双光子成像。设计了一种适用于光学显微系统中扩展双光子成像视场的nBRAnet网络框架,为使该网络框架可以更好地利用特征图信息,在该框架中引入残差模块和空间注意力机制,同时去除了数据归一化处理,以增加图像对比度信息。实验结果表明:所提深度学习方法可以有效地代替自适应光学技术,增强扩展视场中的精细结构特征,并恢复扩展视场的成像分辨率和信噪比,使双光子成像视场直径扩展到3.46 mm,峰值信噪比超过27 dB。深度学习方法具有成本低、操作简单、图像增强效果显著等特点,有望为跨区域脑成像或全脑成像提供一种经济实用的方案。

下肢假肢接受腔对残肢肌肉萎缩影响的数值研究

下肢截肢后残肢的肌肉萎缩对患者康复十分不利。为探明残肢肌肉萎缩的生物力学机制,本研究利用大腿截肢患者残肢的磁共振断层影像(MRI),建立了包含肌肉、骨骼以及主要血管的残肢有限元模型,研究分析了下肢假肢接受腔对残肢软组织及血管的生物力学影响。结果发现,旋股外侧动脉降支因挤压而发生的狭窄最为严重,股深动脉的狭窄则相对较小;旋股外侧静脉的降支、股静脉、股深静脉狭窄的程度依次降低,大隐静脉的狭窄程度较为严重。前侧肌群中应力应变最高;下侧肌群在股骨的末端处出现应力集中,并且其他生物力学指标在下侧区域中也相对较高。本研究在一定程度上揭示了接受腔对血管的挤压是导致肌肉萎缩的重要原因,这为进一步研究残肢肌肉的萎缩机制和采取有效的预防措施提供了理论参考。