NHRI Communications
研究發展
雷射、倍頻、新顯微術─直接觀察活體內細胞的創新研究
由國家衛生研究院推動之整合性醫藥衛生科技研究計畫，在生物醫學工程方面再度展現優異成果。一項由台大電機工程系暨光電所教授孫啟光執行，結合台大分子與細胞生物研究所、生技中心細胞與分子生物學組、中興大學奈米中心、台大醫院、及成大分子醫學研究所專長的倍頻式光學顯微術研究，已成功突破雷射穿透限制，並避免生物組織的光破壞性，建立一套如同隔牆照像的生物顯微影像取得技術。此技術擁有極高的潛力應用於癌症等疾病的診斷，免除冒傳統病理切片檢查所帶來癌細胞擴散的風險。未來將進一步研發醫療用顯微內視鏡，並朝精準的奈米光學治療技術方向發展。
由於目前的技術必須從生物體內切片、處理癌症組織再加以染色進行病理檢驗，此技術存在著侵入與破壞、污染生物組織的缺點，並有遭遇癌細胞擴散的難題，其過程不但複雜費時，所得到的生物影像也有其光學侷限性。因此研究團隊投入此一新顯微技術的研究，寄望發展出一套快速而正確的診斷工具，從器官組織表皮外，引入最少量的染劑，即可掃瞄取得細胞核3D影像，據以辨識正常細胞與癌變細胞。
此一新型顯微技術包含二大部分，第一為雷射光源，第二是顯微掃瞄系統。研究人員使用鉻貴橄欖石雷射作為激發光源，中心波長1230奈米(約百分之1的頭髮粗細)、十兆分之1秒（100飛秒）的脈衝寬度，穿透入皮膚或黏膜，在表皮層準備顯微掃瞄的地方產生足夠的光學信號亮度。實驗並顯示，以1230奈米飛秒脈衝，對脊椎動物胚胎細胞所造成破壞，比起目前被視為最先進的雙光子顯微術(800奈米飛秒脈衝)，至少低一萬倍以上，足證此類雷射光源的優越性。
顯微掃瞄系統則廣泛運用光倍頻信號，並將目前國際上被視為最先進之多光子螢光信號的使用降至最低。倍頻式是將雷射光的頻率予以加倍，不需依靠螢光與儲存能量即能直接產生清晰的掃瞄影像，不會有光毒性及失真現象；多光子式則是同時吸收多個雷射光子(二個雷射光子即稱雙光子，其餘類推)以激發螢光，由於要先儲存能量再轉換螢光影像，會有光毒性及光漂白失真等問題。研究人員使用二倍頻可以觀察到像是膠原蛋白纖維、肌肉纖維、神經管束等較大的細胞組織，三倍頻則能掃瞄到細胞與次細胞結構的型態，如細胞核，呈現出極高解析度的生物影像。
此一倍頻式光學方法的新顯微術已引起國際光學研究的高度注目，國際學術期刊、專書不斷邀請孫啟光教授撰文、出席研討會發表專論，獲頒全球光學巨擘德國徠卡(Leica)顯微系統的重大貢獻創新研究獎，美國光學學會及英國皇家顯微鏡學會於2004年頒授會士(Fellow)證書，美國光學學會尤將此研究成果列為2004年光學界、生物學界和醫學界最熱門的焦點話題之一。
累積過去三年及最近成果，研究人員除了在斑馬魚胚胎內首度成功的以次微米3D解析度，在無干擾與侵入的情況下長期觀測各個器官的發育過程，並已成功在台大醫院及成大醫院所提供的人體皮膚標本、口腔癌標本、口腔纖維瘤標本、肺癌檢體、及活體倉鼠口腔中，拍攝到這些組織表皮層和上表皮層的次微米3D影像。本計劃所發展之專利技術，將有利於研究皮膚癌、口腔癌、肺癌等癌症組織、癌前組織、與正常組織，在結構上的不同以及各種分子蛋白表達上的差異。未來在臨床上將有助於在不取出組織的情況下，直接診斷出癌化細胞。
該項計畫為「整合性計畫」下的傑出創新研究，國衛院不僅欣見此項研究所帶來的突破性進展，並繼續獎助孫啟光教授研究計畫從三年延長為七年，期望能在臨床治療應用上，發展雷射與倍頻的內視鏡技術，在不需採用活體切片的情況下，直接於人體內取得病變組織的次微米活體細胞影像，並將朝向光學治療的目標邁進，而先導研究顯示內視鏡部分已取得相當良好的成效。
目前掃瞄設備每秒鐘可取得三張影像，較靜態的生物組織容易取像，但進入活體掃瞄器官組織時，會因呼吸、心跳等因素而造成影像模糊，因此未來若採用更高速的系統，即可運用在人體上。
此項計畫係由台灣大學電機工程系暨光電所教授孫啟光所主持，經國衛院審查及經費資助，計畫為期三年，研究期間與台大分子與細胞生物研究所教授蔡懷禎合作進行斑馬魚實驗模型，另與中興大學奈米中心教授林寬鋸及成大分子醫學暨口腔醫學研究所教授謝達斌合作，研究將奈米粒子作為顯影物質，擴大倍頻式光學新顯微術在學術研究和臨床診斷的應用範圍，是國內生物科技研究團隊合作成功的範例之一。
相關詞：
【飛秒雷射】
飛秒雷射能產生飛秒（10-15 second）等級的光脈衝，是進行非線性光學實驗與超高時間解析度研究的重要工具。
【鉻貴橄欖石雷射】
是貴橄欖石的一種，含鉻成分，鉻貴橄欖石雷射能產生1230 nm中心波長的100飛秒光脈衝，在110MHz脈衝重覆率操作之下，輸出功率可達300-500mW。目前孫啟光教授奈米生醫光電實驗室使用雙啾頻鏡（double-chirped mirror）的方式已經能成功的將共振腔小體積化，以此為基礎，未來因應臨床醫學的用途，將陸續建置更便於攜帶以及穩定度更高的高功率鉻貴橄欖石飛秒脈衝雷射。
《文：公共事務組；圖片來源：醫用最低侵入式非線性光學顯微術計畫研究團隊》