全脑介观神经联接研究是解析脑认知功能的神经输入输出环路结构基础、普查基因表达与细胞类型，以及绘制全景立体脑图谱的科学前沿。光学成像方法在横向方向能够达到亚微米的分辨率，并可通过多种手段实现“光学切片”的效果，具备在介观水平观测神经环路的天然优势。基于组织透明或机械切削的自动化全脑显微光学成像方法，突破了光学成像在生物组织中成像深度的限制，具有在大范围内提供介观水平精细观察的技术优势。结合各类生物样本荧光标记技术，全脑显微光学成像方法在神经环路的结构和功能的研究方面有着巨大潜力，已成为剖析全脑神经及血管网络的最佳方式。为了更全面地了解和认识这种有力的工具，总结了近年来发展的各类全脑显微光学成像方法，并展望了未来的技术发展。

多光子激发荧光成像技术因低侵入性、强穿透力、高信噪比和高空间分辨率在生物医学光学领域得到广泛的应用，同时也成为最重要的研究工具之一。在多光子成像中过量的光子密度或激光功率会引起生物组织光损伤。光损伤决定了成像所能使用的激光功率的上限。光损伤强度与激光、组织光学参数有关，其背后的作用机制可分为光化学作用和光热作用。重点论述了光损伤的基本原理和形成机制，阐述了光损伤分析数学模型。讨论和分析了不同组织、不同波长下光损伤的一些研究进展。总结了光损伤规律：无色素组织双光子成像中光损伤以光化学作用为主，色素组织双光子成像中光损伤以光热作用为主，三光子深层组织成像中光损伤很可能来自光化学和光热协同作用。展望了降低光损伤和优化成像参数的可行策略。

光学显微镜是生物医学研究必不可少的工具，其中双光子显微成像技术具有大深度三维显微成像功能，被认为是深层生物组织研究的首选工具。但是，在双光子成像系统使用过程中，光学系统的装配偏差、光学元件不理想以及生物样品的不均匀性都会在成像过程中引入像差，从而降低成像质量。通过在双光子显微成像系统中引入自适应光学技术，可实现对像差的有效校正，从而提高成像的分辨率、深度和视场。介绍了双光子显微成像中的像差来源和特点，概述了自适应光学技术中不同的探测和校正方法，综述了近年来自适应光学技术在双光子显微成像中不同的应用成果，最后对自适应光学在双光子显微成像中的发展进行了展望。

激光扫描显微镜通过扫描高度汇聚的激光焦点可以获得样品的三维图像，而激光扫描显微镜时间分辨率低、光毒性大的缺点限制了其在活体快速三维成像等领域中的应用。近年来具有三维成像能力的宽场显微镜技术逐渐成为三维成像领域的研究热点。聚焦形貌恢复技术、结构光照明显微技术以及深度学习辅助三维成像是三种基于宽场成像的快速三维成像技术，通过硬件提升和软件辅助的方式，提高了宽场显微镜的三维成像能力。分别介绍了它们的原理、优缺点、最新的研究进展与应用，最后对宽场三维显微技术的未来发展进行了总结与展望。

以针刺和拔罐疗法为代表的中医理疗被用于治疗肌肉骨骼疾病、缓解疼痛症状已有数千年的历史。中医理疗以疗效显著、安全性高的优势在全球流行。然而，传统的中医理论对于针刺疗法治疗机制的解释缺乏有效的科学证据，而且大多数针刺疗法的疗效缺乏有效的定量评估，无法保证其治疗效果及安全性。凭借高分辨率、高对比度、高安全性等特点，光学成像技术在针刺疗法的机制研究与疗效评估方面展现出了巨大潜力。目前用于研究针刺疗法的光学成像技术主要有激光多普勒血流灌注成像、激光散斑成像、近红外光谱成像和光声成像等，它们分别在针刺的血流动力学效应、大脑响应、治疗机制与疗效评估等方面取得了一定进展，但目前鲜见系统总结上述光学成像技术应用于针刺疗法研究的报道。鉴于此，本文系统介绍了这几类光学成像技术的特点以及它们在针刺疗法研究中的应用情况，并展望了其临床研究前景。

膜蛋白在细胞膜上的时空分布形式决定了其活性状态及功能，在调控细胞生命活动过程中起着重要作用。单分子定位超分辨成像（SMLM）技术为在纳米尺度解析膜蛋白的空间分布提供了可能，但分辨率的极大提升对图像准确聚类分割提出了更高要求。基于密度的空间聚类算法（DBSCAN）是常用的聚类方法之一，但其对于膜蛋白分布不均匀的SMLM超分辨图像的分割效果往往不太理想。本文提出了一种结合多次DBSCAN和层次聚类的混合聚类算法，该算法以DBSCAN方法为分割基础，通过进一步的面积阈值分析和层次聚类，在保持超分辨点簇图像精确聚类识别的前提下，仍能保留每个点簇内的多次定位信号。将该算法应用于模拟数据集和实验数据分割得到的轮廓系数等性能普遍优于传统DBSCAN算法。这种混合聚类方法为膜蛋白SMLM超分辨图像的聚类分割提供了新思路和新方法，有助于更精准地分析膜蛋白在纳米尺度上的空间分布信息。

识别动脉粥样硬化斑块的易损性是防治急性冠状动脉疾病的重要途径。纤维帽厚度、脂质核心大小、管腔狭窄程度和管腔的力学特性是评估斑块易损性的关键参数。然而，单一模态的血管内成像技术难以通过一次成像获取用于评估斑块易损性的全面信息。本团队通过复用光路和声路，将血管内超声成像（IVUS）和血管内光学相干层析成像（IVOCT）与血管内光声成像（IVPA）、光声弹性成像（IVPAE）有机结合到一起，开发了一种血管内光声-超声-光学相干层析-光声弹性四模态一体化成像探头及成像系统。该一体化成像探头的成像直径仅为0.97 mm，光学相干层析、光声、超声模态的横向分辨率分别为20.5、61.3、122.2 μm，纵向分辨率分别为15.8、57.4、72.5 μm。离体模拟样品和兔腹主动脉的在体成像实验验证了血管内四模态成像能够提供血管壁的宏观和微观结构信息，同时能够特异性识别脂质成分和反映脂质斑块的弹性力学信息。该一体化探头可一次性获取血管内斑块的多物理影像特性，有望为动脉粥样硬化斑块的深入理解和诊治提供新型的介入成像方法和工具。

提出了一种基于光学相干层析成像（OCT）技术实现人工心脏生物瓣膜三维缺陷检测的方法，发展了一种生物瓣膜表面边界拟合算法。根据拟合结果进行坐标变换，使瓣膜表面边界趋于水平但保留表面纤维束高度和异常起伏的高频变化。利用所提方法对人工心脏生物瓣膜三尖瓣支架和其中的瓣膜小叶进行成像实验，实现了高分辨率、大视场、实时三维结构成像，成像结果可以显示生物瓣膜纤维层、光滑层、层间缺陷以及切割缺陷。该技术有望被广泛应用于人工心脏生物瓣膜制造检测领域。

光学衍射层析成像技术是一种新兴的对细胞和组织进行非侵入、无创伤、无标记快速三维成像的技术，在细胞代谢、病理和肿瘤诊断等方面都有很大的应用前景。传统的光学衍射层析成像技术视场范围较小，视野内仅有单个或数个细胞，难以直接观察到细胞间的相互作用，无法对散射较强的厚、大细胞进行成像，这在一定程度上限制了其进一步应用。针对视场范围较小的不足，提出了一种用满采集物镜的视场数的大视野光学衍射层析成像技术，可以获得更高的散射光子通量，提高成像质量，减弱伪影、振铃等边缘效应，视野内可以观测到多种状态的细胞和细胞间相互作用。结果表明，大视野光学衍射层析成像技术在兼具亚细胞分辨率和无标记活细胞长时程三维观测能力的同时，具有更大的视野、更小的边缘效应，生物应用前景更加广泛。

数字成像技术能对皮肤的微观结构、生理特征、新陈代谢情况等进行描述，有助于对皮肤形态和动态平衡机制进行定量评估，对皮肤病筛查等具有重要意义。偏振成像方法以其非接触、信息量丰富、无需染色标记等特点，被广泛应用于包括皮肤检测在内的生物医学研究领域。本文提出了一种基于偏振成像的面部皮肤结构和特征的非接触在体测量方法，并利用这一方法分析了不同偏振成像模式对面部皮肤不同参数测量结果的影响。具体而言，首先构建了一套可调偏振成像模态的人体面部皮肤测量系统，然后分别在无偏振、平行偏振和正交偏振三种成像模式下对5个基于CIE Lab色彩空间和Frangi滤波器的面部皮肤参数进行了测量分析。通过对不同参数在面部不同区域的异质分布进行细化探究，得到了不同偏振模态成像获取特定面部皮肤参数的效果差异，并给出了不同参数的偏振测量建议，为提高临床应用中偏振成像非接触、定量测量皮肤参数的有效性奠定了基础。

膨胀超分辨技术是近几年出现的一种对样品制备进行改进实现分辨率提升的超分辨技术，由于其与其他光学技术的兼容性强，可以进一步提高分辨率，引起了越来越多研究人员的关注。复合膨胀技术是膨胀超分辨技术改进的一个主要发展方向之一，膨胀结合光学波动超分辨技术（ExM‐SOFI）在复合膨胀技术中是一种受限较小且使用较为广泛的技术。为了增强现有ExM‐SOFI技术的成像效果，本课题组将成像缓冲液技术应用于ExM‐SOFI技术，以增强膨胀样品在拍摄过程中的抗淬灭能力，从而使普通染料在ExM‐SOFI中的荧光强度、荧光波动幅度和闪烁比等均有增强。微管和囊泡的染色成像结果表明，使用这种技术可以使样品在高阶SOFI中保持真实结构，伪影更少，因而高阶SOFI技术可以提升膨胀样品的最终分辨率。

荧光寿命显微成像（FLIM）常用来检测活细胞内荧光基团的寿命信息，以实现微观定量分析。荧光共振能量转移（FRET）可用来表征能量从供体荧光分子到受体荧光分子的传递过程。将FLIM技术与FRET结合（FLIM-FRET），可以监测活细胞中蛋白质的相互作用、亚细胞器的动态过程等。构建了以细胞膜上转染的绿色荧光蛋白（sfGFP）为供体、以阿霉素（DOX）为受体的FRET纳米体系，利用双光子激发荧光寿命显微成像（TP-FLIM）系统，通过监测FRET纳米体系中供体荧光寿命的变化，研究了药物DOX在细胞中的递送机制和运输效率。此外，进一步采用四种内吞途径抑制剂，对纳米药物的内吞途径进行了评估。结果证明，牛血清白蛋白（BSA）包裹的DOX（BSA-DOX）纳米颗粒通过网格蛋白介导的内吞作用进入细胞。揭示了BSA-DOX纳米颗粒通过网格蛋白介导的内吞作用进入细胞的动态过程。研究表明，FLIM-FRET技术结合定量分析方法可用于区分小分子药物和纳米颗粒与细胞作用的异同。

光动力疗法（PDT）是一种通过光动力反应选择性地治疗恶性肿瘤及癌前病变等疾病的新型疗法，具有广阔的临床应用前景。光敏剂作为PDT的关键要素之一，其在体浓度分布直接影响PDT疗效，实现光敏剂剂量在体定量检测是开展个性化PDT精准治疗的前提。介绍了光敏剂浓度在体定量检测的影响因素；总结了目前常用的光敏剂荧光光谱定量校准方法及荧光定量检测技术；最后讨论了光敏剂定量检测技术在PDT临床转化应用中所面临的挑战和发展方向。

谷胱甘肽（GSH）在多种肿瘤细胞中过表达，是肿瘤微环境的重要特征之一，以GSH作为触发因子可以实现肿瘤的精准治疗。GSH是一种内源性抗氧化剂，其分子结构中的巯基官能团能够快速消耗肿瘤细胞内的活性氧物种（ROS），降低光动力治疗（PDT）的效果；相反，GSH的消耗也可以增强PDT。因此，以GSH作为生物靶标及触发因子设计GSH响应型光敏剂有望实现高效精准的肿瘤PDT。本文首先对GSH在生物体内的作用进行了简单介绍，进而对GSH激活型和GSH消耗型光敏剂的响应机制与响应型PDT进行了详细阐述，最后对GSH响应型光敏剂在肿瘤光动力治疗中面临的挑战以及未来的发展方向进行了讨论。

光动力疗法（PDT）能诱导肿瘤细胞免疫原性死亡，与免疫治疗联合能够提高对各种癌症的治疗效果。基于自然杀伤（NK）细胞的免疫疗法能够增强PDT的抗癌能力。以肿瘤组织中NK细胞免疫作用的分子途径为靶点，通过药物调控增强其对肿瘤的免疫作用，并进一步联合PDT可以有效提升抗肿瘤疗效。将包封基质金属蛋白酶-2（MMP-2）抑制剂SB-3CT的β-环糊精（β-CD）与负载光敏剂Ce6的脂质体通过MMP-2响应多肽组装在一起，构建了一种肿瘤微环境/光多重响应的脂质纳米药物控制系统（MRPL-SC），在细胞和裸鼠移植瘤模型中证明了MRPL-SC介导的PDT和NK免疫疗法协同抗肿瘤作用。MRPL-SC到达肿瘤部位后，连接β-CD与脂质体核心的MMP-2响应性多肽会在肿瘤组织微环境中过表达的MMP-2的作用下水解，释放包封在β-CD中的SB-3CT，SB-3CT通过直接对MMP-2进行原位抑制来有效提升肿瘤组织中NKG2DLs的表达和NK细胞免疫响应；封装了Ce6的脂质体通过细胞内吞进入肿瘤细胞后，在660 nm激光照射下通过PDT诱导肿瘤细胞凋亡，同时进一步诱导肿瘤细胞NKG2DLs表达，实现对肿瘤组织中NK免疫的时空协同增强。MRPL-SC介导的这种光动力和NK免疫增强协同抗肿瘤作用在黑色素瘤细胞和裸鼠移植瘤模型上得到了证明。本研究不仅为开发一种新的纳米药物用于程序化释放抗肿瘤药物以及更好地整合PDT和免疫治疗提供了参考，还阐明了一种用NK细胞介导的黑色素瘤免疫治疗的新模式。

光热治疗以其无创性、非侵入性、副作用小等特点受到了广泛关注。二维碳化钛（MXene）作为一种新型纳米材料，具有优异的物理和化学性能，其中包括良好的光热效应。本课题组通过静电吸附作用构建了基于MXene的光热/化疗协同治疗纳米试剂，该纳米试剂具有优异的消光系数［24.05 L/（g·cm）］以及出色的光热转效率（31.34%）。体外细胞实验结果表明该纳米对HepG2细胞起到了良好的抑制效果，经其治疗后的细胞存活率仅为21.09%。

钙离子是细胞内重要的第二信使，调节基因转录、能量合成及细胞增殖和凋亡等功能。细胞膜与细胞器上钙相关蛋白协同作用，形成复杂而有序的钙信号网络。在亚细胞结构上特异性激活与抑制某个钙相关蛋白而不影响其他蛋白及其他细胞器能够极大促进亚细胞结构钙信号调节机制及相关功能研究。然而，由于药物在细胞内的自由扩散及蛋白在细胞内的广泛表达，药物的分子特异性及空间特异性有限，因此基于激光的钙信号调节方法得到发展。主要讨论了光解锁笼、光遗传以及全光调控三种基于激光的高空间分辨率的细胞内钙信号调控技术的优点及局限性。理论上，它们对细胞的刺激可以局限在亚微米区域。特别地，分析阐述了基于多光子激发的低功率近红外飞秒激光调控细胞内钙信号的新型技术与机制。