2024年7月11日，聂书明教授作客西湖大学工学院第八期云谷论坛，带来了以“Biomedical Nanotechnology: New opportunities for Image-Guided and Robotic Surgery（生物医学纳米技术——影像引导和机器人手术的新机遇）”为主题的精彩报告。
聂书明博士是美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校生物工程、化学、材料科学与工程、电气与计算机工程教授，南京大学现代工程与应用科学学院的创始院长。聂书明教授在用于生物医学的水溶性半导体量子点方面做出了开创性的贡献，并在开发多功能智能纳米粒子集成生物医学成像和治疗方面做出了突破性的工作。
01
影像引导的手术导航系统
在本次讲座中，聂书明教授分享了他在生物荧光成像以及纳米技术应用于癌症手术方面的工作。
目前，传统的肿瘤切除手术主要依靠医生的肉眼与经验判断癌变部位，缺乏有效的工具辨别肿瘤与正常组织之间的边界，这导致切除手术后患者体内可能存在阳性边缘（切除的组织样本边缘有癌细胞）。阳性边缘的存在，导致癌症患者术后肿瘤复发的概率高达30%~40%。
如果将荧光染料或纳米颗粒标记在肿瘤细胞上，一定条件下肿瘤细胞能够清晰成像，从而实现肿瘤的精准切割，使肿瘤切除效果最大化，并有效避免复发。与此同时，借助利用荧光成像引导的手术导航系统，外科医生们可以实时观察病灶处及其周围正常组织，从而避免对血管和神经的损伤。
在报告中，聂书明教授介绍了由三所高校团队（UIUC-UPenn-NJU）联合设计开发的影像引导精准手术导航系统（Real-IGS, Real-image guided system），并分享了该系统的初代实验室版本设备。该设备适用于不同的外科手术，通过近红外荧光成像技术以显示淋巴系统和血管的循环以及相关组织灌注的情况。目前，该成像系统已被授权给南京一家医疗公司，并被开发成用于临床的医疗器械。该公司捐赠了两台共价值一百万美元的影像引导的手术导航系统，一台用于聂书明教授的研究和教学，另一台则用于宾夕法尼亚大学的人体临床试验。据悉，该公司目前正准备首次公开募股（IPO）。
聂书明教授指出，该成像系统的研究瓶颈在于示踪剂与造影剂选择与开发。在Real-IGS中，选用的荧光造影剂为荧光探针吲哚菁绿（ICG），该造影剂已经通过美国食品药品监督管理局（FDA）批准。除此之外，氨基丙酮酸（ALA）分子因其巨大的应用潜力，目前已准备投入临床试验。除上述两种分子，目前被学术界广泛研究的表面增强拉曼散射（SERS）纳米颗粒，因其超高的灵活性和选择性，可用作造影剂。聂书明教授还提到了诸如量子点、胶体金纳米晶等纳米颗粒作为造影剂在实际应用中遇到的挑战。纳米颗粒尽管在实验室研究阶段表现出十分优异的性能，但是在实际应用中，纳米颗粒在人体中的代谢情况并不清楚，带来的长期生物毒性仍有待探究。
除荧光成像技术外，聂书明教授还介绍了近些年应用于肿瘤手术的高精尖技术手段，如机器人辅助的腹腔镜手术系统——达芬奇手术机器人，基于柔性机器人的内窥镜与支气管镜，以及利用虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术的智能手术导航系统。未来，融合分子荧光成像、机器人、增强现实和虚拟现实以及人工智能等技术的前瞻性医疗设备仍有待开发。
最后，聂书明教授总结并展望了影像引导的手术导航设备的发展趋势：首先是设备小型化以实现微创手术，此外，研发将成像、手术和治疗集成的设备也是未来的发展趋势。随着成像设备的成熟化，设备成本也应该逐步降低，甚至实现设备一次性、可分解化。在当下的大数据时代，手术设备也需要能够通过连接无线网络，上传云端，实现信号的实时传输与共享。
02
心得分享
聂书明教授在研究初期主要集中于纳米结构材料方面，包括功能化半导体量子点和材料的制备、表面增强拉曼散射（SERS）的纳米颗粒、纳米材料的表面修饰及其在生物学、医学领域的应用。随后，他在生物工程和电子等领域均有所建树，并主持和参与了多个跨学科项目。
回溯聂书明教授以往的研究历程，他大概每5~7年便会改变研究方向，这背后的驱动力是什么？
聂书明教授是这样回答的——
对于知识，我抱有极大的好奇心，喜欢去探索我不懂的东西。而在了解一个问题、一个课题后，我又会开始跟随自己的兴趣探索其他领域。一开始，我有材料，有方法，而不知道医学上真正的困境在哪里；而现在的我很清楚问题在哪里，便开始回过头来思考材料与方法。因为是兴趣使然，每个课题间看起来可能存在着一定的跳跃。而当我仔细回顾后，我会发现，其实每个课题间都存在着联系，我的核心工作仍然是基于对物理、化学与材料的理解，后续的课题几乎都是围绕着这个核心而进行不同程度的延伸。所以，我认为这背后的驱动力应该是对于知识的好奇和对问题的系统性思考。
往期回顾
来 源 | 冀波涛实验室
撰 稿 | 张婕妤
编 辑 | 彭玥
校 对 | 程建军实验室
审 核 | 苏凌菲
西湖大学工学院面向国家战略性新兴产业发展重大需求，着力建设交叉学科与新兴学科为特色的工程技术学科群，努力建成国家重大科学技术研究和拔尖创新人才培养的重要基地。工学院以国际高端人才为学科带头人构建科研团队，分阶段、分领域打造一流人才队伍。
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