勇于冒險 甘于艱苦 樂于和諧

金納米簇診斷治療癌癥淋巴轉移 ? ? ? ?開發有效的淋巴結（LN）靶向和成像探針對于早期檢測和診斷腫瘤轉移以提高患者生存率來說是至關重要的。目前大多數臨床LN成像探針基于小分子有機染料（如吲哚青綠）或放射性99mTc復合物，這些材料通常會受到快速光漂白、信號對比度差和潛在生物安全問題等限制。此外，這些探針在不影響LN靶向能力的情況下，還無法與治療功能相結合。 ? ? ? ?近期，南方科技大學生物醫學工程系教授開發了雙配體/多配體修飾的金納米簇（GNCs），用于體內小鼠模型中LN癌轉移的特異性靶向、近紅外（NIR）熒光成像、診斷和治療。通過優化表面配體涂層，研究制備的GNC顯示出了高效的LN靶向性、良好的穩定性和生物相容性以及最佳的體內滯留時間。此外，只需單次劑量，這些探針就可以實現成像>3小時的LN連續NIR熒光，非常適合實現熒光引導手術。更重要的是，作者還進一步將化療藥物甲氨蝶呤引入GNC，可以顯著提高甲氨蝶呤靶向淋巴結的傳遞效率，實現優異的治療效果。因此，研究認為GNC有望作為治療腫瘤淋巴轉移的高效安全的納米藥物。相關文章以“Multifunctional Gold Nanoclusters for Effective Targeting, Near-Infrared Fluorescence Imaging, Diagnosis, and Treatment of Cancer Lymphatic Metastasis”為題發表在ACS Nano。   【文章要點】 ? ? ? ?為了對癌癥淋巴轉移進行靶向和高效診療，作者制備了多功能配體修飾封端的 Au25(SR1)n(SR2)18–n型GNCs。對于特定的LN靶向，作者在GNC合成過程中通過改變陰離子與中性兩性配體（C5）的進料比來微調GNC的表面電荷基團及其密度。作者選擇了三個C11鏈長相同但末端酸性基團不同的陰離子烷基硫醇配體（即11-巰基十一酸（MUA）、11-巰基十二烷基膦酸（MUP）和11-巰基十六烷基磺酸（MUS））來控制其電離。 多功能金納米簇的設計合成及其診療癌癥淋巴轉移的應用 ? ? ? ?研究發現，只有MUA-C5雙鏈標記的GNC才能有效地聚集在淋巴結中，并為敏感的癌癥淋巴結轉移診斷和手術指導提供高對比度熒光圖像。進一步將甲氨蝶呤（MTX）（癌癥化療藥物）引入經過優化的GNC顯示，這一復合物可作為LN靶向納米熱療藥物進行使用。與體內游離MTX治療的小鼠模型相比，GNC可以實現高效、靶向的給藥，并對癌癥淋巴結轉移具有良好的治療效果，同時其肝毒性大大降低了4倍，因此此類GNCs-藥物復合物具有作為一種高效的治療腫瘤淋巴結轉移的納米藥物的潛力。 ? ? ? ?文獻鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn6550 ? 納米晶纖維素治療便秘 ? ? ? ?便秘會嚴重影響生活質量，增加結直腸癌的風險。目前的便秘治療策略會造成不可逆轉的腸道損傷和影響營養素吸收等副作用。而納米晶纖維素（NCC）來源于天然植物，具有良好的生物相容性和高安全性，因此利用這一材料，南方科技大學生物醫學工程系教授提出了基于NCC治療便秘的方法。除了基于黑便、腸組織切片和血清生物標記物評估治療作用外，作者還研究了NCC對腸道菌群的影響，并討論了腸道菌群與代謝物的相關性。作者還評估了NCC的長期生物安全性，并認為可通過腸道微生物代謝來有效治療便秘。這一方法所需劑量小，不影響器官和腸道，有望作為藥物和膳食纖維的替代品用于改善便秘。相關文章以“Nanocrystalline Cellulose Cures Constipation via Gut Microbiota Metabolism”為題發表在ACS Nano。 ? 【文章要點】 ? ? ? ?納米晶體纖維素（NCC）是一種具有高結晶度和純度的剛性棒狀納米顆粒，直徑為2–20 nm，長度為100–600 nm。其通常由植物纖維酸解制備，擁有豐富的羥基，在水中能夠穩定分散因此與不溶性膳食纖維相比，NCC具有更小的粒徑、更大的比表面積和更強的親水性。與可溶性膳食纖維相比，NCC則具有更高的吸附能力，可以清除毒素。 NCC對便秘治療的作用及其長期生物安全性 ? ? ? ?經過口服以后，作者研究了NCC對便秘小鼠的治療作用以及NCC對腸道微生物群和代謝物的調節。研究發現，NCC能有效治療便秘，將便秘相關的血清生物標志物降至正常水平。NCC可以通過改善腸道菌群組成，促進脂肪酸代謝、膽汁酸生物合成和氨基酸代謝，以治療便秘。在所有代謝物中，DCA、UDCA、CDCA、乙酸和丁酸可縮短腸道轉運時間，而l-哌啶酸、l-鳥氨酸和l-賴氨酸是與便秘生化和免疫指標相關的重要代謝物。與傳統藥物相比，NCC不會造成腸神經損傷，而與依洛昔布相比，它不會引起腹瀉。與膳食纖維相比，NCC用量少，治療效果更好。因此，NCC有望作為藥物和膳食纖維的替代品用于便秘治療，且對身體具有良好的生物安全性。該研究為通過腸道微生物群代謝治療便秘提供了一種方法，這有助于探索胃腸疾病的飲食療法，并擴大微/納米植物纖維在食品領域的應用。 ? ? ? ?文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c05809

? ? ? ?近日，國家自然科學基金委員會公布了2022年集中接收申請項目的評審結果。我系2022年共獲批12項，資助總額達1027萬元。其中包括重點項目2項、面上項目7項、青年科學基金項目3項，項目數量和獲批經費較2021年有大幅提升。 ? ? ? ?本次獲批的兩個重點項目為：器官共形適配的生物檢測系統和活體深層腦組織近紅外二區超分辨成像研究。 ? ? ? ?國家自然科學基金作為國家支持科學研究的主要渠道之一，是我國基礎研究的重要資金來源，對推動科技創新、醫療進步和人才培養發揮了巨大的作用，各單位獲批基金項目的數量和經費額度也在一定程度上反映了該單位的研究水平和科研實力。 ? ? ? ?一直以來，我系不斷面向生命醫學前沿、面向人類健康重大需求，充分開展跨學科交叉研究，不斷深化學科布局，高度重視國家級、省部級等縱向課題申報工作，高水平課題立項數量多年來保持了穩中有增的良好態勢。 ? ? ? ?基礎研究是整個科學體系的源頭，是所有技術問題的總機關。未來，南科大生醫工系將持續加強各類各級項目孵化和培育，力爭實現新增長、新突破！

?? ? ? ?近日，南方科技大學生物醫學工程系副教授肖凱團隊在“仿生多尺度離子基神經擬態器件”領域取得多項研究成果，相關論文相繼在Nature Communications, CCS Chemistry, Advanced Science, ACS Nano等期刊發表。 ? ? ? ? ?智能生命中信號的產生和處理是通過納米尺寸的離子通道控制離子傳輸，在微米尺寸的神經元上產生動作單位，進而在宏觀神經網絡中實現信號傳遞和信息存貯。智能生命的語言是“離子”，而人工智能的語言是“電子”。為了構筑高通量、低能耗的新型人工智能體系，突破智能生命和人工智能信息交流的壁壘，需要向智能生命學習，通過仿生的手段構筑仿生納米通道，探究限域納米空間內可控離子傳輸的機制；構筑基于離子傳輸的仿生神經元，實現動作電位的產生及傳導；構筑離子基神經網絡，實現類生命體的信號傳遞和信息存貯；這一系列過程構成了“仿生多尺度離子基神經擬態器件”的基礎。肖凱課題組自2021年9月成立以來，圍繞該主題取得了一系列進展。 圖1. 具有多尺度的碳基納米流體及離子二極管性質 ? ? ? ?智能生命體具有單向的離子傳輸性質（離子二極管），從而實現神經細胞動作電位的產生、細胞滲透壓控制等一系列生命活動過程。肖凱課題組通過構筑碳基非對稱仿生離子通道，打破現有“硅+電子”二極管構筑模式，實現了類生命體蛋白質通道的“碳+離子”模式二極管性質，為構筑離子基邏輯電路打下了良好的基礎，并衍生出離子基晶體管、離子基仿生神經元等一系列課題組正在順利推進的工作。相關研究成果以“Unidirectional ion transport in nanoporous carbon membranes with a hierarchical pore architecture” 為題目在Nature Communications上發表。 ? ? ? ?離子泵是智能生命體獨特的功能，通過消耗外部能源實現離子的逆濃度梯度輸運，是光合作用、能量貨幣ATP合成、動作電位的產生等智能生命重要生理活動的基礎。如何通過仿生的手段構筑類生命體的仿生離子泵可為實現離子型光電能源轉換、神經信號調控等多種器件的制備及技術的突破打下良好的基礎。肖凱課題組前期通過構筑基于半導體材料的納米流控體系，實現了一系列仿生離子泵功能和應用（Nat. Commun. 2019, 10, 74；Natl. Sci. Rev. 2021, 8, nwaa231.）。近期，課題組提出通過在納米流體中引入非對稱元素可以實現仿生離子泵的構筑，如對于研究最多的仿生光驅動離子泵，可分別通過非對稱的光電效應、光熱效應和光化學反應實現光驅動離子泵的構筑（CCS Chemistry, 2022, 4, 54-65; ACS Nano, 2022, accepted）。 圖2. 基于離子傳輸可以實現基于電子傳輸的所有能源和傳感過程 ? ? ? ?近年來隨著人工智能的崛起及對生物智能的深入了解，人們發現基于電子傳輸的各類器件在實現人機交互過程中具有很大的局限性，通過向智能生命學習，構筑基于離子傳輸的各類能源器件和傳感器件可為發展下一代腦機界面，實現無障礙的人機交互打下良好的基礎。該研究主題涉及化學、材料、器件、生物等多學科交叉領域。近期，肖凱課題組受邀針對如何通過離子傳輸構筑納米離子學器件，進而實現納米電子學器件不能滿足的功能，發表了一系列展望和總結（Adv. Sci. 2022, 2200534；Adv. Mater. Technol. 2022, 2200205.）。該系列文章指出，通過向智能生命學習，借助多種微納米加工手段實現納米離子學器件的構筑，探索離子在限域納米空間內的傳輸性質，可實現納米電子學能實現的諸多功能。同時，該系列文章分析并對比了基于離子和基于電子各類器件的優缺點，并預測基于離子傳輸的仿生納米離子學器件將是繼納米電子學器件的又一研究熱點。 ? ? ? ?以上研究論文，南科大均為論文第一單位，肖凱為論文通訊作者，肖凱課題組博士后張建瑞、李天明，博士研究生張紅杰、科研助理梅婷婷等為論文第一作者。 ? ? ? ?以上課題的開展和完成得到了國家自然科學基金優秀青年（海外）項目、廣東省先進生物材料重點實驗室和南方科技大學啟動經費的大力支持。   論文鏈接： 1.?https://www.nature.com/articles/s41467-021-24947-3? 2.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202200534? 3.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202200205? 4.https://www.chinesechemsoc.org/doi/full/10.31635/ccschem.021.202101297?  

? ? ? ?2022年7月9日，由中國生物工程學會合成生物學分會主辦的中國首屆合成生物學競賽-創新賽（以下簡稱競賽）在深圳理工大學（籌）明珠校區成功舉辦。競賽旨在為青年學生提供一個交流學習、創新、創智、創造的平臺，為合成生物學、生命科學、交叉學科培養后備生力軍。本次活動吸引了來自全國21所高校共27支隊伍參賽，線上線下超220萬人次觀賽。 ? ? ? ?南方科技大學參賽團隊SUSTech_Shenzhen_HCL是由生物醫學工程系何俊龍老師擔任PI，陳君與陳心怡擔任指導老師，虞立卿、石松林、王葉晗三位同學擔任領隊，包括來自不同專業的龔穎璇、王纖纖、王逸杰、門司琦、雷鴻楸、劉佳怡、江南飛、莫軒丞等共14位師生組成的多學科交叉團隊。在本次大賽中，本團隊勇創佳績，獲評金獎與最佳網站獎。 ? ? ? ?霍亂是一種由霍亂弧菌感染引起的急性腹瀉傳染病，嚴重時可使患者脫水致死。霍亂的病情離不開腸道菌群的失調，因此對腸道菌群進行調節可以作為治療霍亂的一種方法。SUSTech_Shenzhen_HCL團隊以乳酸桿菌和大腸桿菌為載體，利用基因工程技術，利用細菌之間的群體效應，開發了一套可以預防和治療的益生菌系統。 ? ? ? ?前往參加最終線下決賽的團隊成員在比賽現場的各個階段都有著出色的表現。從海報展示、答辯講演、到展示項目的過程中，小組成員們始終積極地與在場評委專家以及來自不同學校的優秀參賽隊員交流、學習。     采寫丨王逸杰 編輯丨肖然 審核丨王丹

? ? ? ?近日，我系張明明助理教授課題組的論文”Human-Exoskeleton Misalignment Reduction on Knee Joint via an RPR Mechanism-Based Device”被IEEE International Conference on Advanced Robotics and Mechatronics，ICARM 2022會議接收并獲最佳會議論文提名獎（Best?Conference Paper Finalist）。19級本科生戴存璽為論文第一作者，20級本科生付沛文為第二作者并參會匯報。 ? ? ? ?我系2019級研究生馬芮以第一作者身份向第七屆實時計算與機器人國際會議（The 2022 IEEE International Conference on Real-time Computing and Robotics）提交了論文“A New EEG-based Paradigm for Classifying Intention of Compound-Limbs Movement”，榮獲本次大會的最佳學生論文（Best?Student Paper Finalist）提名獎。 ? ? ? ?兩篇論文均以生物醫學工程系張明明老師為論文通訊作者，南方科技大學為論文第一單位和通訊單位。 ? ? ? ?論文“Human-Exoskeleton Misalignment Reduction on Knee Joint via an RPR Mechanism-Based Device”聚焦康復助行過程中人體與助行機器人的人機關節錯位，也稱關節不對齊問題的解決方案。通過提出了基于RPR結構的外骨骼膝關節結構，精準測量膝關節動態軸位置，并有望采用相同結構的動力裝置實現關節屈伸動作的復刻，通過仿真計算得出的預期效果為外骨骼與人體錯位可以減少51%。該論文提出的解決策略新穎，計算簡單、結構精簡，具有較高的實現價值。 ? ? ? ?論文“A New EEG-based Paradigm for Classifying Intention of Compound-Limbs Movement”提出了一種新型基于腦電圖的復合肢體運動意圖檢測范式，該范式更符合人類的行走姿勢。時頻分析表明，在運動相關的主要電極處存在較強的事件相關去同步(ERD)現象。此外，腦地形圖顯示，ERD不僅存在于對側感覺運動區，還出現在中央頂葉區(腿部運動映射區)，這初步驗證了區分這種模式的可能性。最終平均分類結果表明，復合肢體運動范式的準確率遠高于單腿運動范式（>20%）。本研究未來結合外骨骼，有助于受試者利用自主意愿控制下肢外骨骼，提高人機交互效率。 左上：文章發出時戴存璽正在MIT進行交流；右上：付沛文參加ICARM獲獎答辯；下：馬芮參加IEEE RCAR會議獲獎答辯 ? ? 實驗室簡介： ? ? ? ?張明明，新西蘭奧克蘭大學博士，南方科技大學生物醫學工程系助理教授/博士生導師，主要研究方向包括可穿戴外骨骼機器人、觸覺反饋系統、智能控制及人機交互技術，以及基于肌電/腦電信號的智能識別算法等。在過去十年里，一直致力于研制面向生活任務的智能、精準、閉環、高效的神經康復創新技術及器械，通過機器人、神經科學、生物醫學工程、人工智能等學科的深度交叉融合，構建了若干具有完全自主知識產權的新型神經康復機器人系統，并將其應用于基礎研究與臨床應用。多次發表在IEEE TFS、TII、TIE、TASE、RAL、TNSRE、TBME、TCDS、J NEUROENG REHABIL、J BIOMECH等權威期刊和IROS等國際頂級學術會議上，共60余篇。 ? ? ? ?實驗室鏈接：https://zhangmmlab.com/   ? 撰寫丨付沛文、馬芮、戴存璽 編輯丨肖然 審核丨張明明

? ? ? ?7月8日上午，南科大創新創意設計學院來訪我系進行訪問交流。設計學院院長關道文（Tom Kvan）、生醫工系副系主任吳長鋒等多位教師在工學院南樓722會議室進行學術座談。 ? ? ? ?座談由我系吳長鋒主持，他代表生物醫學工程系對來訪師生表示歡迎，希望此次交流能夠推進雙方學術合作，助力兩系發展。 ? ? ? ?關道文表示，設計學涵蓋多個范疇，并在材料科學、器材設計和醫患交互等方面均有廣闊的應用前景。期待雙方在可穿戴設備設計與交互設計等領域，結合我系研究優勢，進一步深化細化學術合作，共同譜寫發展新篇章。 ? ? ? ?會上，設計學院與生醫工系的到場師生逐一介紹了自己的科研領域與潛在合作意向，并初步探討合作方案的可行性。在教學方面，鼓勵雙方學生互選對方開設的課程，形成教學模式互補。 ? ? ? ?雙方表示，今后將繼續推進兩系的常態化互動，促進更多教學科研交流，助力我校教研水平再上新臺階。     采寫：肖然、羅睿田

? ? ? ?2022年6月27日，西安交通大學電子系李峰教授做客南科大第241期生物醫學工程講堂，為師生帶來了題為“光學微腔中的光子偏振調控”的精彩講座。講座由我校生物醫學工程系金大勇教授主持。 ? ? ? ?李峰教授是西安交通大學電信學部寬禁帶半導體與量子器件研究所副所長，2008年至2017年先后在加拿大麥吉爾大學、法國國家科研中心、英國謝菲爾德大學學習和工作，入選國家級青年人才項目。主要研究方向為光學微腔及光學微納結構中的光與物質相互作用、自旋軌道耦合、拓撲、量子效應及其應用等。在國際頂級期刊Physical Review Letters, Nature Communications, ACS Nano, Optica 等發表學術論文多篇，主持國家自然科學基金項目兩項，陜西省科技創新團隊帶頭人。 ? ? ? ?在講座中，李峰教授為大家講述了微腔中激子極化激元的基本概念及其自旋光子學相關研究概況，重點介紹了在此研究領域的一系列工作，包括圓形勢阱中極化激元凝聚的自旋渦旋態、微腔與偏振各向異性激子材料相結合產生的宏觀旋光性，以及在此基礎上觀測到的非平庸拓撲能谷、極化激元能帶上的非厄米奇異點與發散量子度規等有趣現象。 ? ? ? ?李峰教授還介紹了可調諧開放式光學微腔的結構與應用、稀土摻雜微納米晶體的偏振輻射特征及其物理機制，以及將稀土離子與微腔集成進行偏振態和相干度調控的構想。   采寫：李朋、敖牧羊 編輯：肖然

? ? ? ?2022年6月27日，應生物醫學工程系邀請，南京大學化學化工學院副教授、博士生導師，康斌教授做客第240期南科大生物醫學工程講堂，為我校師生帶來了題為“SPASER納米激光探針和細胞熱動力學測量”的精彩講座。講座由金大勇講席教授主持。 ? ? ? ?康斌教授2011年獲南京航空航天大學-佐治亞理工學院聯合培養博士學位，之后在佐治亞理工學院激光動力學實驗室從事博士后研究，并與2015年起在南京大學工作。研究興趣為發展高時空分辨的成像測量方法、技術及儀器裝置，詮釋微納化學系統及生物系統中的基本傳質、傳電及傳能過程及其動力學。在Science?Advance、Chem、JACS、Angew?Chem等發表論文60余篇。 ? ? ? ?在講座中，康斌教授從熒光探針的串擾問題出發，引入講座的第一部分，基于表面等離激元受激輻射放大（SPASER）現象的“納米激光”探針的基本概念和發展歷程。深入介紹了SPASER納米顆粒目前面臨的關鍵問題和學術爭議，以及其實驗室在相關問題和生物應用的研究工作。 ? ? ? ?康斌教授還重點介紹了其課題組測量單細胞內部熱量傳遞和耗散的工作，利用新型探針和瞬態光學成像技術，國際上首次測得了不同種類溫血和冷血動物細胞、以及正常細胞和癌細胞內的熱耗散及其差異性。發現溫血動物細胞可根據環境溫度變化調節熱耗散以維持細胞內熱量平衡，并通過細胞代謝組學分析研究了能量代謝相關的分子通路。該研究被形象地描述為“細胞出汗”現象，發表在知名期刊Chem上并被《萬物》等科普雜志報道。   采寫：王銘群、敖牧羊 編輯：肖然

? ? ? ?由于抗生素的過度使用，抗生素耐藥性已成為對人類健康的嚴重威脅。目前，正在開發不同的抗生素來治療耐藥菌，但抗生素的開發周期很難跟上抗生素耐藥性的高發。?納米技術提供了應對耐藥細菌感染的策略，不同種類的抗菌納米材料可以在很大程度上滿足不同的抗菌需求。?在這些納米材料中，金納米材料具有優異的抗菌功效和生物安全性，是抗生素的替代品。 ? ? ? ?基于此，南方科技大學生物醫學工程系微流控-納米醫學課題組重點介紹了金納米材料在抗菌領域的最新進展，并討論金基納米抗生素的發現和潛在的臨床應用。相關研究成果以”Deploying Gold Nanomaterials in Combating Multi-Drug-Resistant Bacteria”為題，發表在國際著名學術期刊?ACS Nano上。 本文要點： （1）首先，通過介紹合理調整納米材料的形貌、表面化學和組成，可以獲得具有最佳和定制抗菌功效的金納米抗生素。這些金納米抗生素可以很好地集成到醫療器械中用于抗菌應用。 （2）其次，強調金基納米抗生素在臨床應用方面仍然存在挑戰。這些納米材料的具體抗菌作用機制和安全性有待深入研究。這個過程非常復雜，需要微生物學、免疫學、生物材料、病理學、毒理學、藥理學和納米技術的跨學科整合。盡管如此，金納米材料在治療細菌感染的策略中具有重要價值，我們期待進一步的研究將拓寬金納米材料的抗菌應用領域并加速其轉化為臨床應用。   原文鏈接： Deploying Gold Nanomaterials in Combating Multi-Drug-Resistant Bacteria. ACS Nano 2022 DOI:10.1021/acsnano.2c02269 https://doi.org/10.1021/acsnano.2c02269

? ? ? ?中風是目前造成成年人殘疾的首要原因。研究表明，在卒中后的6個月內進行及時有效的康復治療對患者恢復運動能力是至關重要的。近年來，越來越多的可穿戴外骨骼機器人走入臨床，有意探索康復機器人干預下的中樞神經系統的重建和運動能力的恢復。但與此同時，可穿戴機器人缺乏對使用者運動意圖認知的智能。因此，增強機器人的感知智能，提高人機交互共融性，是當前康復機器人技術面臨的重要挑戰。 ? ? ? ?恰當的助力時機對于執行有效的外骨骼助力，保證使用者安全性等都至關重要。現有的研究已經充分證明了表面肌電信號在識別人體運動意圖的可行性。肌電信號是由肌肉收縮產生的生理電信號，其包含了與運動意圖相關的直接信息；同時，肌電信號相較于肢體運動具有一定的超前性。通過解碼該信號可以識別人的行為, 進而賦予外骨骼理解人的運動意圖的智能，從而避免外骨骼的控制延遲。然而，基于肌電信號的意圖識別方法但仍然面臨以下挑戰：（1）肌電幅值變化和電極偏移導致的不穩定性；（2）步態運動學預測的準確度。 B. Zhong, K. Guo, H. Yu, and M. Zhang, “Toward Gait Symmetry Enhancement via a Cable-Driven Exoskeleton Powered by Series Elastic Actuators,” IEEE Robot. Automat. Lett., vol. 7, no. 2, pp. 786-793, 2022. ? ? ? ?張明明課題組長期以來一直致力于面向生活任務的智能、精準、閉環、高效的神經康復技術及器械的開發和研究。近期該團隊提出一種基于肌電信號預測連續下肢膝關節角度的解碼方法，即基于肌肉協同驅動的自適應模糊神經網絡預測模型（Muscle synergy- driven ANFIS model），實現了在不同步行速度下的膝關節角度的穩定連續預測。相關論文以《A Muscle Synergy-Driven ANFIS Approach to Predict Continuous Knee Joint Movement》為題發表于國際頂級期刊IEEE Transactions on Fuzzy Systems（IF=12.029）。   圖1. 膝關節角度預測算法框架 ? ? ? ? ?本文首先利用多生理信號采集設備和人體光學運動捕捉設備同時獲取受試者在行走過程中的下肢表面肌電信號和膝關節角度信息。然后將肌電數據進行預處理和肌肉協同的提取。這樣的處理將原始的數值生理信息轉換成了能反應神經控制策略的特征信息，同時肌肉協同方法也具有更強的魯棒性和更高的計算效率。進而，以肌肉協同為輸入驅動ANFIS模型，對受試者連續的膝關節角度進行魯棒預測。 ? ? ? ?通過5種不同速度的步行實驗表明, 本論文提出的Muscle synergy-driven ANFIS model的預測準確度達到相關系數為0.92±0.05，相比于目前基于當通道數值特征方法，預測準確性和計算效率均有顯著性提升。同時，肌肉協同作為肌肉激活度與人體運動間的橋梁， 本方法有效地建立了兩者的非線性關系，提高了模型的可解釋性。 圖2. 步態模式膝關節角度預測結果 ? 圖3. 不同步行速度下預測準確性統計結果   ? ? ? ?南方科技大學為論文第一通訊單位，碩士研究生鐘文娟、付學明為論文共同第一作者，張明明為唯一通訊作者。研究得到國家自然科學基金及廣東省自然科學基金等項目的資助。 ? ? ? ?原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9735420     撰文：鐘文娟 審核：張明明 編輯：肖然

? ? ? ?2022年6月21日下午，南方科技大學生物醫學工程系與北京大學深圳醫院合作交流座談會在北大深圳醫院順利召開。北京大學深圳醫院院長陳蕓，副院長趙永勝，科研教學部主任石宇以及生物醫學工程系多位教師代表出席會議。 ? ? ? ?趙永勝副院長致開場辭。趙副院長高度評價了生醫工的快速高質量發展，并對我系近年來的科研教學建設成果表示肯定。他希望本次座談會能夠促使雙方在科研和教學方面達成初步合作意向，集中優勢兵力，攜手推動新時代醫療事業的高質量發展。 ? ? ? ?我系教師介紹了生物醫學工程系近年來的科研及辦學成果。他們表示，南方科技大學和北京大學深圳醫院均擁有深厚的歷史淵源和學科交叉的背景，希望雙方發揮各自優勢，在學科建設、科研開發等方面加強合作，共同為實現“健康中國”目標作出更大貢獻。 ? ? ? ?陳蕓院長對本次交流會的舉辦表達肯定，并提出了簽訂合作協議的建議，希望雙方交流能夠常態化。 ? ? ? ?最后，雙方參會人員進行了深入的交流探討，達成了初步橫向課題探索和共同申報縱向項目和研究生培養的合作意向。 ? ? ? ?次日，北京大學深圳醫院醫學創新中心辦公室主任張芳婷來訪我系進行參觀，詳細了解我系科研辦學情況。   采寫：羅睿田 校審：肖然

? ? ? ?單分子定位顯微鏡（single-molecule localization microscopy, SMLM）具有納米級的超分辨能力，已成為結構細胞生物學研究的重要手段。其中多通道的SMLM的各種擴展應用至關重要，因為它們極大地增加了可以從樣本中提取的信息量：用不同顏色的熒光團標記的蛋白質多色SMLM成像可以探測它們的空間關系和相互作用。通常使用兩個光譜通道[1-3]或一個空間通道與另一個光譜檢測通道相結合來實現[4]。使用兩個或多個探測通道的三維(3D)SMLM技術，例如雙平面[5]或多平面探測[6]、自彎曲點擴散函數[7]、超臨界角度熒光探測[8,9]、多相位干涉[10,11]、多通道熒光偏振[12]等，在研究生物結構的內在三維空間組成方面發揮重要作用。 ? ? ? ?2022年6月7日，南方科技大學李依明副教授、歐洲分子生物學實驗室Jonas Ries研究員課題組合作在Nature Communications上發表了題為“Global fitting for high-accuracy multi-channel single-molecule localization”的研究。提出一種基于GPU加速的多通道全局擬合算法globLoc，用于三維單分子定位，它可以從多通道單分子數據中提取最大信息，提高了雙平面和4Pi-SMLM的定位精度，并改善了比率多色三維SMLM的顏色分類。 ? ? ? ?與單通道SMLM相比，多通道的數據分析相對比較復雜，因為必須把兩個或多個通道結合起來才能得到額外的信息(顏色、z位置、偏振狀態、干涉相位等)。傳統的方法是首先在每個通道中分別擬合熒光團以提取相應的參數，然后組合從不同通道返回的參數來獲得額外信息。單個熒光團在多個通道中的單獨擬合不是最佳的，因為忽略了高度相關的信息(例如三維位置和光子等)。相反，如果我們使用一個全局擬合器來鏈接不同通道中的相關參數，這將減少擬合參數的數量，提高擬合的精度和魯棒性，并避免不同通道中相應參數配對時引發的不確定性。因此，研究人員開發了多通道全局擬合方法globLoc，并設計了一個通用的數據分析工作流程，方便使用軟件對不同通道中檢測到的單分子數據進行全局擬合。其優化的分析流程包括: 生成通道之間的轉換映射關系，校準全局多通道PSF，基于GPU的全局擬合器實現快速和精確定位，以及后處理程序提取額外的信息(z位置，顏色，干涉相位，偏振等)。在仿真和實驗數據中，研究人員發現全局擬合能夠顯著提高雙平面和4Pi-SMLM的定位精度以及多色SMLM的顏色分類。 ? ? ? ?以雙通道為例對全局擬合分析流程(圖1)進行說明。首先對蓋玻片表面的熒光珠在Z方向進行掃描，并單獨計算每個通道的樣條PSF模型[13]，再分別用相應的樣條PSF模型對每個通道進行擬合，以獲得精確的熒光珠位置。從兩個通道中對應的珠子位置，計算出通道之間的映射關系。然后使用三次多項式插值來對大量的熒光珠進行配準和平均，同時保持映射過程中通道之間固定的空間關系。此外，也可以使用相應的PSF模型分別對每個通道中的單分子數據進行分析，并根據擬合的坐標計算映射關系。除了使用實驗型的PSF模型，還支持用高斯PSF模型進行全局擬合。在校準多通道PSF模型和不同通道之間的映射關系之后，最后進行全局擬合，使用極大似然估計(maximum likelihood estimation，MLE)聯合分析多通道數據。 圖1 多通道全局擬合方法的工作流程概述。 （圖源：Yiming?Li,?et al.,?Nat Commun, 2022） ? ? ? ? ?由于globLoc可以靈活地鏈接不同通道之間的參數，研究人員比較了在單獨擬合，全局擬合下對鏈接XYZ位置和鏈接XYZ以及發射光子情況下的定位精度。與擬合單獨通道然后對位置進行Cramer-Rao-Lower-Bound（CRLB）加權平均相比，globLoc提高了大約1.5倍的z定位精度(圖2a)和更加魯棒的參數估計。這一分辨率的提高通過參加持續舉辦的2016 SMLM Software Challenge得到了進一步證實，在該挑戰賽中，globLoc在雙平面數據上的3D定位精度比其他表現最好的算法LEAP提高了近兩倍(圖2b)。對訓練數據集(模擬微管)，與主要的SMLM分析軟件ThunderSTORM (圖2c)相比，有了明顯的改善。對核孔復合體(nuclear pore complex，NPC)上標記的Nup96蛋白質實驗數據結果顯示，globLoc相比ThunderSTORM改善更為明顯，globLoc能夠清晰地解析NPC的雙層環狀結構(圖2d)。 圖2 globloc用于分析雙平面數據 （圖源：Yiming?Li,?et al.,?Nat Commun, 2022） ? ? ? ?globLoc不限于雙通道的數據分析，研究人員利用實驗4Pi-PSF模型[14]，對具有多相位干涉的4Pi-SMLM進行四通道擬合。通過使用樣條插值實驗PSF模型對所有四個相位圖像進行全局擬合，globLoc在所有維度上都實現了定位精度逼近CRLB。并且與當前主要的分析方法相比，精度和準確性都大大提高(圖3a)。在4Pi-SMLM實驗數據上，對比在核孔復合體中Nup96八聚體的團簇重建結果，globLoc在所有參數鏈接的情況下重建出來的團簇相比于當前主要的分析方法(photometry)和不鏈接光子的globLoc重建的團簇更小(圖3b)，更接近真實樣品結構。 圖3 globloc用于分析4pi-smlm數據 （圖源：Yiming?Li,?et al.,?Nat Commun, 2022） ? ? ? ?globLoc的全局擬合對具有重疊發射光譜的多種染料進行成像分析，根據在每個通道中檢測到相對光子數量區分單個分子的顏色(圖4a)。globLoc提高了定位光子數的準確性，從而在模擬和實驗中提高了顏色分類的準確性(圖4b)?，同時利用綜合利用了所有檢測到的光子進行定位，沒有造成光子數的損失。globLoc的這些創新使得在比率分色3D SMLM(圖4C)中首次對四種染料同時成像并準確地區分出四種顏色。實驗驗證中采用AF647、DY634、CF660C和CF680染料對單個NPC的Nup96、Nup62、Elys和WGA蛋白標記后的成像結果顯示，四種顏色沒有明顯的串擾。研究人員對200個NPC圖像進行了平均，得到了四種NPC蛋白質的平均后的結構位置，其中 Nup96 形成兩個具有八聚體對稱性的環，Elys形成一個大環，Nup62和WGA位于圓環的中央通道。值得注意的是，這些是熒光團的平均分布，由于抗體大小及其非隨機方向可能會引起的連接錯誤而導致的表位的分布不同。 圖4 globloc用于分析多色數據 （圖源：Yiming?Li,?et al.,?Nat Commun, 2022） ? ? ? ?為了證明globLoc在具有挑戰性的樣本上的表現，研究人員對線蟲的聯會復合體進行了比率三色3D成像(圖5a)。單個的聯會復合體可以在三維空間內清楚地分辨出來(圖5b)。聯會復合體的三種不同成分HTP-3、HIM-3和SYP-5的N端被很好地分離出來，沒有明顯的顏色串擾，并且這三種組分的空間排列與之前的研究非常吻合。 圖5 globloc用于線蟲聯會復合體多色三維成像。 （圖源：Yiming?Li,?et al.,?Nat Commun, 2022）   ? ? ? ?綜上所述，研究人員證明了在多通道單分子定位過程中鏈接共享參數大大提高了定位精度，并減少了顏色分配串擾。globLoc不僅提高了定位精度，而且與單獨擬合多個通道相比，還增加了擬合的魯棒性。這一點很重要，因為信息被分成不同的通道，并且每個通道的信噪比（SNR）較差，這導致參數估計的誤差很大。結果表明，globLoc可以在較大的軸向范圍內精確地重建雙平面和4Pi-SMLM數據，并在四種顏色同時成像時能進行準確地區分。基于深度學習的SMLM分析已被證明可以大大提高定位精度，特別是對于單分子密度較高的數據，然而，深度學習方法依賴于訓練有素的網絡，這些網絡需要針對不同的成像條件(如不同的信噪比)進行再訓練。對于多通道數據分析，由于不同的成像模式(如雙平面、比率多色)需要采用不同的參數鏈接方案，因此情況要復雜得多。因此，基于深度學習的方法非常適合于單通道高密度單分子數據，而全局分析法將成為多通道標準密度數據分析的首選方法。 ? 原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30719-4   參考文獻： 1. Bossi, M. et al.Multicolor far-field fluorescence nanoscopy through isolated detection of distinct molecular species. Nano Lett.?8, 2463–2468 (2008). 2.Mund, M. et al.Systematic Nanoscale Analysis of Endocytosis Links Efficient Vesicle Formation to Patterned Actin Nucleation. Cell?174, 884–896 (2018). 3.Zhang, Y. et al.Nanoscale subcellular architecture revealed by multicolor three-dimensional salvaged fluorescence imaging. Nat. Methods?17, 225–231 (2020). 4.Zhang, Z., Kenny, S. J., Hauser, M., Li, W. & Xu, K. Ultrahigh-throughput single-molecule spectroscopy and spectrally resolved super-resolution microscopy. Nat. Methods?12, 935–938 (2015). 5.Juette, M. F. et al.Three-dimensional sub–100 nm resolution fluorescence microscopy of thick samples. Nat. Methods?5, 527–529 (2008). 6.Babcock, H. P. Multiplane and spectrally-resolved single molecule localization microscopy with industrial grade CMOS cameras. Sci. Rep.?8, 4–11 (2018). 7.Jia, S., Vaughan, J. C. & Zhuang, X. 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Accurate 4Pi single-molecule localization using an experimental PSF model. Opt. Lett. 45, 3765 (2020).   第一作者及共同通訊作者李依明（前排中間） （照片提供自：李依明實驗室） 作者簡介： 李依明，2009年于上海交通大學獲生物醫學工程系學士，2010年獲海德堡大學醫學物理碩士，2015年獲卡爾斯魯厄理工學院博士學位（導師： Uli Nienhaus 教授）。之后獲得EMBL-瑪麗居里博士后獎學金，在歐洲分子生物學實驗室總部和耶魯大學任職博士后研究員和訪問學者（2016-2019）。現為南方科技大學生物醫學工程系副教授，博士生導師。長期致力于研究三維超高分辨顯微成像技術及其生物應用，在光學儀器研發，光學理論和成像算法等方面積累了堅實的理論基礎以及實驗經驗。迄今，以第一/通訊作者在Nature Methods、Nature?Communications、Optics Letters等國際權威期刊發表多篇論文，入選“深圳市海外高層次人才B類”，并長期擔任Nature Methods、 Light: Science & Applications、Optics Letters等期刊的審稿人。目前和包括來自EMBL，耶魯大學，牛津大學和劍橋大學等多個實驗室有合作關系。此外，課題組長期招收博士后、研究助理及博士/碩士研究生，有物理，光學工程、計算機、機械工程、生物醫學工程、生物技術、生物化學等相關專業背景，要求具備良好的學習能力、獨立工作能力和團隊溝通能力。有意者請將個人簡歷發送至李依明副教授郵箱：liym2019@sustech.edu.cn.     撰文︱李依明、石偉 責編︱王思珍