钟业腾：在“意外”中寻找突破

本文转自：中国科学报

钟业腾（左一）向专家介绍血氧饱和度成像技术。受访者供图

■本报记者 张双虎

近日，国家纳米科学中心研究员钟业腾团队针对血氧饱和度原位动态成像技术方面的研究在《自然-纳米技术》上发表。该技术可以对小鼠深层组织内的肿瘤血管结构成像，并实时、动态、精确掌握肿瘤血管的血氧饱和度信息。

这项技术的应用，不仅有助于了解肿瘤微环境与血氧供应的关系，深入揭示肿瘤的发生发展机制，还能够结合靶标信息指导用药，提高预后准确性和药物效率。

近年来，钟业腾带领团队和合作者取得了一连串成果，先后发表于《自然-生物技术》《自然-通讯》《先进材料》等期刊。他认为，成果不断产出与团队严谨的科研态度、细致的实验操作，善于从微末曲折处和各种实验“意外”中找到出路密不可分。

看清肿瘤微环境

肿瘤组织的血氧浓度是了解肿瘤微环境的重要指标。目前的血氧检测大致分为指夹式血氧仪和体外血氧分析仪两类。前者只能给出一个粗略的手指部位血氧数值；后者则需要把血液抽取出来检测，在时效性和空间分辨率方面存在短板。

“我们这项技术能够在活体原位条件下，对肿瘤相关血管中血氧饱和度水平进行可视化监控和定量化测量。”钟业腾告诉《中国科学报》，“这有助于评估肿瘤组织细胞的代谢水平和代谢微环境，从而为肿瘤学研究和临床诊断提供更精确和全面的信息。”

该团队通过对纳米颗粒进行表面亲水性修饰，改善了无机纳米探针在体内的生物兼容性。研究显示，静脉注射的修饰后纳米探针可在两周内排出70%至90%，材料的生物毒性大大降低，显示出该材料在活体体内具有良好的应用前景。

在此基础上，团队研发的血氧饱和度原位动态成像技术可以对小鼠健康组织和肿瘤组织的血管结构进行清晰成像，实时、准确地量化其血氧饱和度水平。这些指标不仅可评估肿瘤组织的代谢水平，还能预测肿瘤免疫治疗的响应性，为肿瘤疗效预测提供了一种全新方法。此外，基于此技术的双通道近红外二b区（NIR-IIb）活体动态成像，能够同时获取肿瘤血管血氧饱和度成像和PD-L1分子影像，在对血管进行深层组织活体成像的情况下，从多个维度为肿瘤免疫治疗的精准预后提供可靠信息。

“实验表明，即便在皮下1.6毫米深处，该技术的检测结果依然非常精准。”团队成员、论文第一作者方治国介绍说，“这大大扩展了检测信息量，可以用它进行肿瘤学方面的研究。”

在“意外”中看清方向

2021年8月，在某次习惯性浏览文献时，一张图表引起了钟业腾的兴趣。

那是张不同氧结合状态下的血红蛋白吸收光谱图，表明氧合血红蛋白和还原血红蛋白在不同波段的光吸收强度存在明显差异。

“我瞬间就产生了一个想法——能否利用该吸收光谱的差异，以纳米探针在不同波段激发下的NIR-IIb荧光强度变化，来定量表征血氧饱和度？”钟业腾回忆说。

灵感电光石火般闪现的那一刻，钟业腾决定设计初步实验验证一下。但经过数轮尝试都观察不到预测的实验结果。

在收拾样品和试剂时，钟业腾和方治国观察到，溶解在水中的氧合血红蛋白和还原血红蛋白颜色基本一样，这让他们非常疑惑。

“这显然不符合常识和光谱数据，一定受到某种未知因素的影响。”钟业腾说，“既然不清楚受什么因素影响，不如直接拿血液样品再进行一次测试。”

钟业腾又安排学生直接从大鼠体内抽取血液样品进行实验。功夫不负有心人，血液实验一次成功，证实了该研究思路可行。

在随后的活体实验中，团队要利用该成像技术观测并分析肿瘤微环境和肿瘤血管的关系。一开始，他们预判肿瘤组织中不同部位的血管，其血氧饱和度会有较大差别，因此在显微镜视野下血氧饱和度图像会呈现红绿蓝斑驳的画面。

为此，团队进行了细致的显微成像设备搭建和调制，能清晰地分辨出10微米的肿瘤血管，但当天的实验一直做到晚上10点多，所获得的显微血氧饱和度图像只有一片暗红。这意味着，肿瘤组织内不同部位的血氧浓度差别并不大。

“这是不是说明该技术根本无法准确区分活体组织下的血氧饱和度？”方治国非常纳闷儿。

“当时感觉学生们都很泄气。”钟业腾说，“我站在那里想了一会儿，认为对皮下接种并且处于生长初期的小肿瘤来说，其内部的新生血管尚未形成明显异质性，其不同区域的血氧饱和度很有可能差异并不大。不如把视野放大，看看肿瘤周围的血管是否有区别。”

说干就干，团队连夜修改实验方案，重新搭建了宽场成像系统。视野范围扩大之后，肿瘤组织内与肿瘤周围血氧的颜色差异立刻一目了然，证明该成像技术能在活体条件下区分血管的血氧状态。

类似的“意外”在此后的实验中屡见不鲜。正因钟业腾团队对兴趣驱动的科学研究有着特别的“执念”，并反复优化实验方案，重复验证实验结果，才得以推动小至一个想法，大至一个课题、一个项目的顺利实施。

带队干好“精细活”

钟业腾曾在美国科学院院士、美国斯坦福大学教授戴宏杰课题组做了近5年的博士后研究工作。2020年6月，他回国加入国家纳米科学中心，成立了自己的研究团队。

实验室建立初期，许多设备需要搭建、调试，各种问题不时发生。碰到故障或问题，钟业腾的口头语就是“这有点儿意思”。

他一边将这些小意外当作教学案例进行现场示范，一边给学生讲解设备的构造原理、功能及使用注意事项。他鼓励学生在实践中应对挑战、解决问题，同时启迪他们的创新思维，增强动手能力。

钟业腾认为，纳米颗粒制备研究是一门精细活，每一个细节都有可能影响最后的实验结果。在他的电脑桌面上，依次排列着10多个分析软件，方便随时和学生分析数据、判断问题、梳理思路和提出建议。

“实验常会和最初设想不一样，不及时沟通可能会原地打转。所以要创造更多沟通机会，讨论更具体的细节。”钟业腾说，“让学生逐步养成严谨的习惯，掌握正确处理原始数据的方法，才能干好这些‘精细活’。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41565-023-01501-4