科研进展--中国科学院广州分院

深圳先进院 | 类囊体光学诊疗探针可视化重塑炎症微环境（Nature Nanotechnology）

近日，中国科学院深圳先进技术研究院医学成像科学与技术系统全国重点实验室郑海荣院士、盛宗海研究员与哈佛医学院陶伟教授、南方医科大学李颖嘉教授等多家单位合作，研制出类囊体靶向新探针，创建植物光合作用重塑炎症微环境新技术，实现了炎症关键分子事件的精准成像与调控。相关成果以"Bioengineered photosynthetic nanothylakoids reshape the inflammatory microenvironment for rheumatoid arthritis therapy"为题发表在Nature Nanotechnology上。炎症是癌症、神经退行性疾病、心血管病变及自身免疫性疾病等重大疾病的核心驱动因素。炎症过程涉及免疫细胞、炎症因子与乏氧微环境的跨尺度动态互作。动态可视化与精准调控炎症关键分子事件是实现上述重大疾病精准诊疗的关键。近日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）医学成像科学与技术系统全国重点实验室郑海荣院士、盛宗海研究员与哈佛医学院陶伟教授、南方医科大学李颖嘉教授等多家单位合作，研制出类囊体靶向新探针，创建植物光合作用重塑炎症微环境新技术，实现了炎症关键分子事件的精准成像与调控。相关成果以"Bioengineered photosynthetic nanothylakoids reshape the inflammatory microenvironment for rheumatoid arthritis therapy"为题发表在Nature Nanotechnology上。研究团队从菠菜中提取植物类囊体，并利用临床辅料聚乙二醇（PEG）对其进行表面修饰，成功研制出一种天然植物来源的靶向荧光探针，打破了传统依赖化学合成制备诊疗探针的主流范式。靶向类囊体探针能特异性识别并追踪促炎巨噬细胞，在660nm LED光照射下，可驱动光合作用改善病灶的乏氧微环境，同步清除多种炎症因子，有效调控巨噬细胞从促炎表型向抑炎表型转化。团队在胶原诱导的类风湿大鼠模型、兔子模型和巴马猪模型上验证了类囊体探针的有效性和安全性，疗效优于临床一线治疗药物甲氨蝶呤。该研究为新型光学诊疗探针的研发及其用于炎症微环境关键分子事件的精准可视化与调控提供了全新思路。相关成果正在与医院合作推进临床转化应用。本研究得到了医学成像科学与技术系统全国重点实验室、国家自然科学基金重大研究计划集成项目、科技部重点研发计划（基础科研条件与重大科学仪器设备研发）、深圳医学科学院前沿探索项目、中国科学院深圳先进技术研究院国际联合实验室等项目资助。深圳先进院客座研究生李子玥博士、杨贻培博士以及哈佛医学院石业思博士为本文第一作者，深圳先进院郑海荣院士、盛宗海研究员，哈佛医学院陶伟教授，南方医科大学李颖嘉教授为本文通讯作者。深圳先进院为本文第一单位。文章上线截图类囊体探针特异性标记巨噬细胞，“多管齐下”调控炎症微环境实验室团队合影

2025-12-09

华南植物园发表综述：城市化如何重塑城市森林土壤有机碳稳定性

中国科学院华南植物园鲁显楷研究员团队在Carbon Research期刊发表最新研究成果，综述了城市化如何重塑森林生态系统土壤有机碳稳定性。该成果不仅有助于深入评估城市化发展对森林土壤碳汇动态的长期影响，还可为制定有效碳汇管理措施提供重要依据。森林生态系统是城市的绿色屏障，在调节区域碳平衡中扮演关键角色。然而，城市化进程显著改变土地利用方式，影响到毗邻森林生态系统的结构和功能，并改变土壤有机碳固存能力及其稳定性。目前，有关城市化如何影响森林生态系统土壤有机碳稳定性及其分空间分布格局的研究仍不系统。全球变化下，该文章综述了城市化进程如何在城乡梯度上影响森林土壤有机碳（SOC）稳定性，重点分析了与稳定性相关的物理、化学和生物学指标。研究表明，与郊区森林（Suburban forests）和乡村森林（Rural forests）相比，城市森林（Urban forests）土壤有机碳稳定性显著降低，尤其是稳定性物理学组分——矿物结合有机碳（MAOC）的减少。SOC化学稳定性在郊区森林土壤中表现更优，这类土壤通常积累更多不易氧化有机碳，有利于长期碳固存。微生物量碳等生物学指标在城市森林中普遍下降，特别是在凋落物和根系输入减少的受干扰区域，而介导碳循环的酶活性沿城乡梯度呈现出明显的波动。城市化可通过营养富集和物理扰动增加微生物（尤其是细菌）分类学多样性，但土地压实或污染会导致微生物丰度下降，这可能会限制微生物介导的SOC稳定过程。在城市森林，影响SOC稳定性的主要因素是人为胁迫因素；在乡村森林，主导因素则表现为生物因素和气候过程；城郊森林则同时受自然与人类活动的综合驱动。识别这些差异性调控机制对于理解城市化进程中土壤有机碳持久性至关重要。此外，文章指出了城市生态系统面临的挑战和管理对策、当前研究存在的局限性，以及未来研究方向。相关研究成果以“How urbanization reshapes soil organic carbon stability in urban forests: a critical review”为题发表在国际学术刊物Carbon Research（《碳研究》）上。中国科学院华南植物园硕士生Lasisi Hammed Tobiloba为论文第一作者，鲁显楷研究员为通讯作者。研究得到国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目等资助。文章链接： https://doi.org/10.1007/s44246-025-00230-8图1. 基于城市化视角的土壤有机质的形成与分布框架图。图2. 人为干扰对土壤有机碳组分的影响以及铁铝氧化物稳定有机碳的机制。图3. 在城乡梯度上影响土壤有机碳稳定性的关键因素：农村森林(a)、郊区森林(b)和城市森林(c)

2025-12-08

深圳先进院发布全球最新集中式光伏电站数据集（JAG）

近日，中国科学院深圳先进技术研究院碳中和技术研究所可持续发展团队孙立群副研究员，联合东北农业与地理研究所贾明明研究团队与南京航空航天大学薛朝辉研究团队，在光伏遥感领域，构建了目前已知全球首套10米分辨率、覆盖2019-2025年的集中式光伏电站数据集。相关成果以" Global high-resolution mapping of photovoltaic power plants from 2019 to 2025 using unsupervised index-based multi-source data fusion method "为题，发表在遥感和地球科学领域的高水平学术期刊International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation（JAG）上。近日，中国科学院深圳先进技术研究院碳中和技术研究所可持续发展团队孙立群副研究员，联合东北农业与地理研究所贾明明研究团队与南京航空航天大学薛朝辉研究团队，在光伏遥感领域，构建了目前已知全球首套10米分辨率、覆盖2019年—2025年的集中式光伏电站数据集。相关成果以" Global high-resolution mapping of photovoltaic power plants from 2019 to 2025 using unsupervised index-based multi-source data fusion method "为题，发表在遥感和地球科学领域的高水平学术期刊International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation（JAG）上。光伏（PV）技术作为全球最具潜力的可再生能源之一，被视为实现碳中和的核心力量。理论上，精准定位光伏电站分布、追踪其时空扩张，能为能源政策制定、产业规划和气候治理提供关键支撑。但随着全球光伏装机量爆发式增长，一个关键瓶颈日益凸显：现有光伏数据是否能精准反映全球发展实况，还是停留在“ 覆盖有限、分辨率不足、更新滞后”的困境中？以往光伏电站制图或依赖单一遥感指数（如 NDPI，场景适应性差），或依赖深度学习（需大量标注样本、成本高），难以低成本有效实现且兼顾 “全球覆盖、高分辨率、时效性”。研究团队创新提出 “自适应指数 + 多源数据融合” 框架，用极简思路实现极致效果。团队通过融合三大核心数据集TZ-SAM（全球定位）、ChinaPV（中国 10 米高精度）、GlobalPV（全球时序），实现优势互补；设计自适应归一化光伏指数（ANDPI），通过双峰分布阈值自动区分光伏与非光伏区域，适配不同土地覆盖场景；采用数据融合方法，既保留及优化2019至2022年的历史数据，又更新 2023至2025第二季度最新动态，最终生成 10 米分辨率的全球光伏电站制图结果。这套目前已知最全面的全球集中式光伏电站数据集，通过数据描述出清洁能源发展脉络：从8432km²到16289km²，全球集中式光伏铺设面积 6 年近乎翻倍；而这背后，中国一己之力撑起了 61% 的新增量，清洁能源革命的‘中国引擎’名不虚传。从2025年全球光伏格局来看，中国以 8358km² 独占全球半壁江山（51.3%），超过美国+德国+印度的总和。新疆、青海、甘肃等西北区域，更是聚集了大量超20km² 的大型电站。除了规模与技术，数据集揭示的光伏电站的 “土地利用类型” 也值得关注。数据集显示，全球近 9 成光伏建在牧场和农田，但趋势发生变化：2021 年前二者平分秋色，2022 年后牧场占优。这项研究不仅解决了光伏行业的 “数据痛点”，更给出了清洁能源发展的清晰指引，为全球能源转型提供精准数据支撑，助力政策制定与产业布局；验证了多源数据融合的低成本优势，为其他可再生能源监测提供借鉴；指明光伏选址的理性趋势，平衡能源发展与生态保护。数据集地址：https://zenodo.org/records/17780251团队提出的 “自适应指数 + 多源数据融合” 框架示意图全球光伏总面积增长趋势（2019-2025Q2）2025 年全球光伏 Top 10 国家规模对比2025 年全球光伏电站土地覆盖分布

2025-12-05

【深圳先进院】构建传质分离的“高速路”——深圳先进院这张“膜”连获颠覆性技术奖项

一张“离子膜”，如何影响世界？近日，中国科学院深圳先进技术研究院研发的“二维垂直亚纳米通道膜技术”荣获全国颠覆性技术创新大赛优胜奖。该技术通过构筑颠覆性的“二维垂直亚纳米”通道结构，破解了膜法离子分离领域长期存在的“选择性”与“通量”不可兼得的国际难题。一张“离子膜”，如何影响世界？近日，中国科学院深圳先进技术研究院研发的“二维垂直亚纳米通道膜技术”荣获全国颠覆性技术创新大赛优胜奖。该技术通过构筑颠覆性的“二维垂直亚纳米”通道结构，破解了膜法离子分离领域长期存在的“选择性”与“通量”不可兼得的国际难题。在能源、环境、水资源等领域，离子分离膜是决定装备“性能上限”和“成本下限”的“芯片”。然而，传统离子膜因其亚纳米通道难以精准构筑，导致膜材料长期面临一个难以逾越的瓶颈：选择性与通量难以兼得。膜材料要实现精确筛分，就得牺牲传质速率；想要快速传质，就难以保证筛分精度。从“0”到“1”的原始创新，是破解膜材料领域“高选择性与高通量无法兼得”这一国际难题的有效路径。中国科学院深圳先进技术研究院成会明、丁宝福、罗杰及团队成员聚焦“高选择性兼高通量膜材料”这一科技制高点和产业高地，在深圳先进院国际上原创大面积构筑“二维垂直亚纳米通道膜”的颠覆性膜结构。团队4年磨一剑，实现了“狭缝式”二维垂直亚纳米通道的有序组装和突破了相关通道构筑的理论、技术、材料、工艺难点，相关技术连续在2024年及2025年两获得京津冀国家技术创新中心组织的颠覆性技术大赛优胜奖，并与近期联合中煤（深圳）研究院有限公司获得国家重点研发计划-颠覆性技术创新专项的支持，也是深圳先进院首个获批的颠覆性技术创新专项项目。这种基膜的突破，还有利支撑了多种含水处理膜、储能用离子膜等功能膜的性能瓶颈的突破，并在2025年度内，连续获得了中国科学院抢占科技制高点攻坚计划子课题、深圳市科技重大专项等重要纵向项目的支持，凸显了其巨大的创新潜力与产业价值。“二维垂直亚纳米通道膜”技术的颠覆性，始于对膜材料最根本“原理”、“结构”、“工艺”的重构。结构颠覆：从“曲折小路”到“垂直高速”传统分离膜内的通道如同蜿蜒曲折的乡间小路，路径长、宽窄不一，导致分子、离子通行效率低且筛分不精准。研究团队首创了大面积构筑“二维垂直亚纳米通道膜”这一颠覆传统膜通道结构的构筑策略。团队创制的膜材料内，具备尺寸精准可控、尺寸均一、笔直垂直的二维纳米通道，为目标物质修建了足够“宽阔”的“垂直高速公路”。这项技术能够在 0.4到1.0纳米（约等于头发丝的五万分之一）的范围内，实现对通道尺寸的任意、均一且垂直取向的精准调控，从而能精准、快速地区分任意两种亚纳米尺寸的离子或分子。技术颠覆：从“分子为中心”到“有序畴为中心”的范式革命为了构筑“二维垂直纳米通道”这一全新的膜结构，团队摒弃了传统 “以分子为中心”的膜材料研发思路和制备工艺，发明了 “以畴基元为中心”的全新制膜技术。这如同从用“无序的砂砾”建房，升级为用“制式规则的砖块”建房，为“跨膜取向二维通道的构筑”奠定的结构学和材料学基础，实现了膜材料研制范式的革新。该技术具备极强的普适性，可适配不同分子结构、化学属性的制膜原料，为针对不同应用场景开发高性能膜材料带来了无限可能。性能颠覆：抢占膜材料性能、技术制高点凭借革命性的结构设计与制备技术，“二维垂直纳米通道膜”在多项关键性能指标上实现了颠覆性突破，全面刷新现有纪录：能源领域：相比进口膜材，质子传导率提升1倍以上，阴离子传导率提升4倍，提升了液流电池、电解水制氢等效率。资源提取领域：用于盐湖提锂时，水通量提升5倍，为绿色、高效获取锂资源提供了高效方案。水处理领域：正渗透海水淡化水通量提升1个数量级，率先实现了无需外加压力的家用净水，节能潜力巨大。产业颠覆：专利布局完善，宏量化路线可行一项真正的颠覆性技术，在于其能否形成从基础研究到产业应用的完整闭环。团队正在朝着这一目标前进：团队已形成完备的研发体系，建立了涵盖“膜理论模拟、材料学、传质学、工程放大、器件开发、应用示范”的完备研发体系和队伍。专利壁垒坚实，围绕核心技术，已申请专利14项，已授权5项，PCT专利2项，形成了坚实的知识产权壁垒。产学研高频联动，技术已成功研发卷对卷制备装备，完成了米级原型膜样品制造，并与多家行业领军企业、研究所签订合作开发与应用示范协议，持续推进产业化步伐。“二维垂直纳米通道”颠覆性膜技术，是深圳先进院坚持面向世界科技前沿、面向经济主战场的生动体现。这项从“0”到“1”的原始创新，不仅为基础科学贡献了新的方向，更以其颠覆性的技术特点，为能源、环境、资源提取等众多关键领域带来了变革性的解决方案。从实验室的原创概念，到大赛的脱颖而出，再到国家重大专项的认可与支持，这条清晰的路径标志着“二维垂直纳米通道膜”技术正加速从实验室走向产业化，有望在未来为解决国家重大需求、推动产业升级贡献“先进院力量”。建立“二维材料液晶”新方向，原创“二维垂直亚纳米通道膜”结构两获“全国颠覆性技术创新大赛优胜奖”及系统化专利布局

2025-12-05

南海海洋所 | 太平洋热带寡营养盐区海洋生产力的环流驱动机制研究取得进展

印度-太平洋热带寡营养盐区作为“珊瑚三角区”的分布中心，是全球珊瑚礁生物多样性的顶峰。深刻理解热带寡营养盐区营养盐与海洋生产力的动态变化及其调控机制，是揭示热带珊瑚礁生态系统演变规律的根本前提，对于维护其生态安全与资源可持续性具有核心指导意义。近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境与岛礁生态全国重点实验室、边缘海与大洋地质实验室颜文研究员团队在太平洋热带寡营养盐区海洋生产力的环流驱动机制研究方面取得系列新认识。相关研究成果以“Enhanced North Pacific biological pump contributed to atmospheric carbon dioxide plateau during the Bølling-Allerød period”为题，发表于国际知名期刊Communications Earth & Environment。副研究员朱小畏为论文第一作者，研究员黎刚和研究员颜文为共同通讯作者。温盐环流作为全球海洋营养盐再分配的核心通道，其驱动的深海营养盐上涌是维持表层海洋生产力的重要基础，也是海洋碳循环中驱动“生物泵”运转的重要一环。学界对其演化的研究，长期聚焦于两个核心环节：一是大西洋深层水的下沉及其所产生的碳汇效应；另一方面是南大洋深层水的上涌及其所扮演的碳源作用。这两个“阀门”被认为是海洋温盐环流调控大气CO₂的浓度变化的核心机制。然而，太平洋作为地表系统最大的碳储库，其环流体系在全球碳循环中的核心机制与贡献，学界仍缺乏统一认识。自2018年起，研究团队依托南海海洋研究所在南海南部采集的丰富沉积岩芯样品，重点围绕末次冰期以来热带太平洋海域的中深层环流体系的演变机制开展系列研究（Li et al.,2018;Zhang et al.,2025），旨在揭示太平洋中深层环流演化对热带低纬寡营养盐区海洋生产力的调控机制。本次研究聚焦于末次冰消期Bølling-Allerød（B/A）暖期大气CO₂浓度上升停滞这一科学谜题（Zhu et al.,2025）：在该时期，南大洋通风作用增强且生物泵效应减弱，导致大气CO₂含量显著上升，然而南极冰芯记录却显示其浓度在此期间保持稳定（图1）。目前，无论是来自海洋表层CO₂分压的记录重建，还是基于陆地碳汇的数值模拟，均未能查明平衡B/A暖期南大洋显著碳源的关键机制。现代观测表明，在北太平洋热带-副热带寡营养海区，海-气CO₂交换不仅受海温调控的溶解泵作用支配，同时也受到营养盐调控的生物泵效应的显著影响，后者是影响该区域海洋碳汇的关键途径。本研究基于南海南部两个沉积柱样，对末次冰消期古生产力进行了多指标重建，综合运用长链二醇指标、菜籽甾醇与甲藻甾醇丰度、生源Ba含量以及底栖有孔虫δ¹³C梯度等有机与无机地球化学指标，进行交叉验证。所有指标均一致证实，南海南部在B/A暖期海洋生产力显著上升（图1）。进一步系统整理泛北太平洋地区已发表的古生产力记录发现，该时期生产力的增强普遍存在于整个北太平洋热带-副热带寡营养海区。这一现象与B/A暖期北太平洋中层水（NPIW）减弱导致的深层营养盐上涌增强密切相关。研究据此提出了B/A暖期平衡南大洋碳源的新猜想：太平洋中层水减弱-深部营养物质上涌增多+上层水体热层化加剧-促进固氮作用协同驱动北太平洋寡营养区海洋生物泵及其碳汇增强（图2）。本研究不仅揭示了广阔的太平洋副热带-热带寡营养盐区海洋生产力变化背后的环流调控机制，还提出了一个关于太平洋环流调控大气CO₂变化的潜在新途径，同时对太平洋珊瑚礁发育具有深远的营养学意义。当北太平洋中层水减弱时，深部营养物质和CO2上涌至透光层可为造礁珊瑚共生虫黄藻光合作用提供充足原料，加速造礁珊瑚钙化过程，进而促进珊瑚礁生产发育，成为重要的碳酸盐岩碳汇。本研究得到了科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金、广东省自然科学基金和中国科学院南海海洋研究所自主部署项目资助的资助。相关论文信息：Xiaowei,Zhu,Shengyi Mao,Fen Chen,Gang Li* &Wen Yan* (2025). Enhanced North Pacific biological pump contributed to atmospheric carbon dioxide plateau during the Bølling-Allerød period. Communications Earth & Environment,6,981. 论文链接：https://www.nature.com/articles/s43247-025-02943-5#citeas图1 末次冰期以来南极冰芯CO2 （a）和南大洋表层DpCO2（b）与南海沉积柱氮同位素（c）和有机-无机指标重建的生产力（d-g）对比图2 末次冰消期（a：暖期；b：冷期）南大洋和北太平洋热带-亚热带的物理-生物地化过程驱动的表层-深层碳循环过程

2025-12-03

华南植物园联合研究揭示中国森林树种丰富度与结构多样性的空间格局及未来潜力

中国科学院华南植物园联合多家国内外科研机构在中国森林多样性格局研究方面取得重要进展，相关成果以“Spatial patterns and future potential of tree species richness and structural diversity in China’s forests”为题，发表在Nature Ecology & Evolution杂志（论文链接：https://doi.org/10.1038/s41559-025-02922-1）。森林是地球上生物多样性最为丰富的生态系统之一，在维持陆地生态系统功能方面发挥着至关重要的作用。为应对日益严峻的气候变化和人类活动对自然林多样性保护造成的压力，中国作为主席国制定了《昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架》。在此背景下，从多维度视角系统评估森林的多样性格局、驱动机制及其未来潜力，对于支撑国家生物多样性保护战略意义重大。过去二十年来，国内关于森林多样性的研究主要集中在粗尺度（通常覆盖数十万公顷以上的面积）的伽马多样性，反映的是区域物种总数，难以揭示森林群落内部的真实物种共存状态。相比之下，基于细尺度（通常覆盖数百平方米的样方）的研究能更准确反映群落内部的结构异质性，可为制定精准的生态保护和恢复措施提供更直接的科学依据。本研究基于全国近3400个自然林样方数据，从更贴近生态过程的细尺度出发，同时评估了森林树种丰富度和结构多样性，并首次构建了精细尺度的中国自然林多样性地图。研究结果表明，两类多样性的驱动机制存在显著差异：树种丰富度主要受降水季节性的影响，其次为地形异质性和气候稳定性；结构多样性则主要由林龄决定，降水季节性和年降水量对其也有一定贡献。模型预测结果表明，未来我国自然林的树种丰富度和结构多样性分别具有约36%和27%的提升潜力。该研究为落实《昆明—蒙特利尔全球生物多样性框架》目标提供了数据支撑，也为推进精细化森林保护与管理提供了科学参考。中国科学院华南植物园武东海研究员表示，应全面认识未来森林多样性变化带来的机遇与挑战。一方面，多样性提升有助于增强森林生态系统稳定性和碳汇功能；另一方面，局地物种竞争加剧可能对珍稀濒危物种形成压力，亟需加强受威胁物种的就地和迁地保护，以兼顾多样性提升与关键物种保护的双重目标。中国科学院华南植物园博士后程昌锦为论文第一作者为，武东海研究员和刘菊秀研究员为论文通讯作者。其他合作者包括华南植物园闫俊华研究员、唐旭利研究员、徐文芳副研究员、林方美博士和周泳诗博士，南京信息工程大学周国逸教授，北京大学王少鹏教授，中国科学院植物研究所马克平研究员和苏艳军研究员，香港大学吴锦教授，美国康奈尔大学徐湘涛教授，中国科学院成都山地灾害与环境研究所王根绪研究员，中国科学院水利部水土保持研究所杜盛研究员，中国科学院地理科学与资源研究所李胜功研究员，曲阜师范大学韩士杰教授和中国科学院西双版纳热带植物园马友鑫研究员。该研究得到广东省重点领域研发计划和国家重点研发计划等项目资助。图. 中国自然林树种丰富度和结构多样性的空间格局（a, c）及未来潜力（b, d）。

2025-12-02

深圳先进院 | 磁共振氘波谱成像实现膀胱癌化疗疗效的早期监测（Advanced Science）

近日，中国科学院深圳先进技术研究院医学成像科学与技术系统全国重点实验室邹超研究员与中山大学附属第一医院王焕军教授团队在膀胱癌化疗疗效监测领域取得重要进展。研究首次将磁共振氘波谱成像成功应用于膀胱癌动物模型，利用低成本氘标记葡萄糖探针和更便捷的给药方案，实现了肿瘤化疗后的无创治疗响应评估，相关成果发表于Advanced Science。近日，中国科学院深圳先进技术研究院医学成像科学与技术系统全国重点实验室邹超研究员与中山大学附属第一医院王焕军教授团队在膀胱癌化疗疗效监测领域取得重要进展。研究首次将磁共振氘波谱成像（Deuterium Magnetic Resonance Spectroscopic Imaging, DMRSI）成功应用于膀胱癌动物模型，利用低成本氘标记葡萄糖探针和更便捷的给药方案，实现了肿瘤化疗后的无创治疗响应评估，相关成果发表于Advanced Science, 2025, e14614。什么是DMRSIDMRSI是一项利用氘标记底物追踪体内代谢动态的磁共振新技术。你可以把它想象成一个“代谢雷达”——实时监测氘标记底物（如氘标记葡萄糖）在体内向关键代谢产物（如乳酸等）的转化过程，从而直接反映组织内部的代谢活跃程度。值得一提的是，DMRSI能够在完全无电离辐射的前提下获取高特异性的代谢信息。与传统MRI主要观察身体结构或血流不同，DMRSI直接“看到”的是细胞内部的代谢过程。而在癌症治疗中，代谢变化往往比肿瘤大小变化出现得更早。因此，DMRSI有望在化疗开始后很短时间内，就判断治疗是否有效，为医生调整方案争取宝贵时间。早期发现化疗是否起效在膀胱癌的小鼠模型中，研究团队发现，DMRSI能够在化疗后仅 24 小时就捕捉到肿瘤代谢的明显变化：乳酸相关信号下降了 55%–80%，说明了肿瘤在经过化疗后糖酵解代谢活动被显著抑制。相比之下，此时常规 MRI 检查（如弥散加权成像DWI与动态增强成像DCE）看不出明显差别。进一步的组织学分析显示，这些代谢变化与肿瘤增殖下降、细胞凋亡增加等关键指标高度一致。这表明，DMRSI能更早反映治疗效果，有望为肿瘤疗效评估提供更及时、更直观的影像依据。更优的探针：效果更好，成本更低通过体尾静脉注射实验，研究团队还对[6,6′-²H₂]-D-葡萄糖与[2,3,4,6,6′-²H₅]-D-葡萄糖两种探针进行了对比。实验结果表明，[2,3,4,6,6′-²H₅]-D-葡萄糖在维持原有代谢路径不变的基础下，提供了更高的葡萄糖信噪比，同时产生了更强的氘标记水检测信号。值得关注的是，该探针在合成成本方面相比传统探针降低了近一个数量级，这一重要突破为解决临床推广应用中的成本瓶颈问题提供了切实可行的方案。更便捷的给药方式：从静脉到皮下在给药方案方面，团队在前期尾静脉注射的基础上，对 7.5 g/kg 和 3 g/kg 两种皮下注射剂量进行了优化评估。结果显示，把剂量降到 3 g/kg，依然能够获得与 7.5 g/kg 接近的葡萄糖–乳酸代谢信号比。这一发现不仅证明了皮下注射路径的可行性，也通过降低同位素探针用量，切实压缩了成像成本，为未来临床推广提供了更加经济、易于标准化的给药方案。技术在复杂模型中同样有效在更具挑战性的原位膀胱癌模型中，优化后的成像方案依旧获得高质量的磁共振波谱，展现出良好的普适性，为临床复杂解剖环境下的应用奠定基础。这一结果也意味着，在未来的临床环境中，DMRSI有望稳定地应用于复杂部位肿瘤的早期疗效评估。本研究通过探针优化、给药方式改进与模型验证，构建了可推广的膀胱癌早期疗效评估技术体系。该技术方案具备高灵敏度、低成本、无辐射等多重优势，能够捕捉化疗后肿瘤的代谢重编程，为临床医生在解剖结构变化发生前调整治疗方案提供了可靠的"代谢雷达"，有望推动膀胱癌精准治疗的进程。中山大学附属第一医院王焕军教授，中国科学院深圳先进技术研究院邹超研究员，中山大学附属第一医院冯仕庭教授、郭燕教授为论文共同通讯作者，中山大学附属第一医院博士研究生孔令敏、中国科学院深圳先进技术研究院与哈尔滨工业大学联合培养博士研究生阳冈汗、中山大学附属第一医院硕士研究生翁蓓、中山大学附属第一医院技师温志华为论文共同第一作者。该研究成果得到国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项（B类）、国家自然科学基金、广东省自然科学基金和广东省自然科学杰出青年基金项目等项目的资助。DMRSI 能在治疗 24 小时内识别肿瘤反应，而常规 MRI（弥散加权成像DWI与动态增强成像DCE）无明显变化尾静脉注射[6,6′-²H₂]-D-葡萄糖与[2,3,4,6,6′-²H₅]-D-葡萄糖，肿瘤区域的代谢产物对比皮下膀胱癌模型中[2,3,4,6,6’-²H5]-D-葡萄糖不同给药途径和剂量的DMRSI比较原位膀胱癌模型的磁共振氘标记代谢产物图像

2025-12-02

深圳先进院 | 实现 CEST-MRI 运动-强度联合校正技术（IEEE JBHI）

中国科学院深圳先进技术研究院医学成像科学与技术系统全国重点实验室胡战利研究员、吴垠研究员，联合中国医学科学院肿瘤医院深圳医院团队在化学交换饱和转移磁共振成像领域，构建了“运动-强度联合校正”框架，解决了CEST序列中运动错位与强度变化的耦合难题。相关成果以"FE-DIC-Based motion and intensity correction for enhanced CEST-MRI registration"为题，发表在生物医学成像领域知名期刊IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics上。近日，中国科学院深圳先进技术研究院医学成像科学与技术系统全国重点实验室胡战利研究员、吴垠研究员，联合中国医学科学院肿瘤医院深圳医院团队在化学交换饱和转移磁共振成像（CEST-MRI）领域，构建了“运动-强度联合校正”框架，解决了CEST序列中运动错位与强度变化的耦合难题。相关成果以"FE-DIC-Based motion and intensity correction for enhanced CEST-MRI registration"为题，发表在生物医学成像领域知名期刊IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics上。CEST-MRI作为一种无创反映组织代谢、微环境及分子交换特性的先进磁共振成像技术，正逐步应用于脑卒中、肿瘤及心肌代谢等领域。与常规 MRI 不同，CEST-MRI 需要在多个频率偏移点连续采集，扫描时间往往从数分钟到十余分钟。呼吸、心跳和体位轻微变化都可能导致帧间错位，而参数图又依赖对整个动态序列的逐像素整合，微小运动即可引入明显偏差，从而影响定量结果和临床诊断。与此同时，不同频率偏移点的饱和效应与组织对比度差异显著，图像在“发生运动”的同时还在“持续变亮变暗”，使得现有配准方法难以有效工作。因此，如何解决运动与强度变化之间的强耦合，已成为 CEST-MRI 实现精准定量的关键技术挑战。研究团队在有限元数字图像相关（FE-DIC）基础上，构建了面向 CEST-MRI 的交替式运动-强度联合校正框架（图1）。一方面，通过力学正则化在有限元网格上估计时空连续、组织一致的位移场；另一方面，在每轮运动校正后自适应更新全局亮度和对比度，以补偿频率依赖性的强度变化。二者以迭代交替的方式紧密耦合，使运动估计不再受强度变化干扰、强度校正也不再受到残余运动限制，从而实现了对 CEST-MRI 动态序列的协同优化配准。研究团队在模拟肝脏、健康志愿者脑部以及巴马猪心脏三类数据上系统验证了该方法，并与多种主流传统配准算法及深度学习模型进行了对比。结果显示，所提出的运动-强度联合校正框架在不同器官和不同运动幅度下均取得更高的配准精度（图2和图3），显著提升了酰胺质子转移（APT）和肌酸（Cr）等参数图的质量与时间一致性（图4），为 CEST-MRI 代谢参数的精准定量提供了更加可靠的影像基础。中国科学院深圳先进技术研究院胡战利研究员、吴垠研究员和中国医学科学院肿瘤医院深圳医院罗德红主任为论文共同通讯作者。中国科学院深圳先进技术研究院与中国医学科学院肿瘤医院深圳医院联培博士后刘海洲、中国医学科学院肿瘤医院深圳医院郑怡嘉技师和刘周副主任医师为论文共同第一作者。该研究得到了医学成像科学与技术系统全国重点实验室、国家自然科学基金（数学天元重点专项）、国家重点研发计划（重大科学仪器设备研发重点专项）、广东省自然科学基金（卓越青年团队项目）和深圳市科技重大专项等项目的资助。原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11016183图1：提出的交替式运动-强度联合校正框架图2：脑部图像在∆ω = –1.2 ppm下的配准结果对比图图3：心肌图像在不同方法下的配准残差与结构对比图图4: CEST参数图校正前后对比：（a）APT图，（b）Cr图

2025-12-02

广州健康院发现全新“暗物质蛋白”作为胚胎发育命运的细胞质“开关”

2025年11月26日，中国科学院广州生物医药与健康研究院细胞器与干细胞研究组在Nature Communications期刊上发表了题为“Microprotein PLUM encoded by Lin28b uORF is a cytoplasmic determinant of pluripotency and embryonic development”的研究论文。2025年11月26日，中国科学院广州生物医药与健康研究院细胞器与干细胞研究组在Nature Communications期刊上发表了题为“Microprotein PLUM encoded by Lin28b uORF is a cytoplasmic determinant of pluripotency and embryonic development”的研究论文，发现多能性代谢因子Lin28b上游5’UTR区的选择性翻译可产生一个全新蛋白PLUM（Pluripotency-associated Lin28b uORF-encoded Microprotein），而这一翻译特异发生在着床后的Primed状态。PLUM敲除可促使小鼠Primed状态多能干细胞以接近100%的效率同步转变为Naïve状态，并可导致小鼠胚胎着床缺陷。机制上，PLUM与RNA结合蛋白L1td1相互作用调控其相分离能力，并影响P颗粒组装，从而调控多能性与线粒体呼吸链复合物基因表达。本工作揭示了多能干细胞中首个由非经典阅读框编码的功能蛋白PLUM，在亚细胞水平连接无膜细胞器的RNA调控与线粒体代谢的翻译重塑，在多能性与胚胎发育中发挥关键的决定性作用。翻译与代谢的相互调控是细胞可塑性的基础。胚胎早期发育可分为着床前和着床后两个阶段，对应着体外培养时两种稳定且可互相转变的多能性干细胞状态：原始态（Naïve）与始发态（Primed）。早期发育与多能干细胞命运在表观遗传、转录、代谢等层次进行了深入研究，而在翻译阶段，以往研究主要聚焦于已知蛋白的翻译，基因组中是否存在未被挖掘的“暗物质蛋白”调控代谢与早期发育，仍然是一个谜。团队利用核糖体测序技术发现在Primed多能干细胞中，Lin28b的5’UTR区特异性翻译产生微蛋白PLUM，且呈胞质点状聚集分布。通过构建基因敲除模型，研究证实PLUM缺失会使 Primed多能干细胞几乎以100%效率转变为Naïve状态，并导致胚胎着床显著受损，表明PLUM 对多能干细胞命运具有决定性作用。机制研究表明，PLUM与RNA结合蛋白L1td1直接互作，调控其胞质凝聚体和相分离，进而改变其结合的下游RNA，提高Tfcp2l1、Zfp42 等Naïve多能性基因的RNA 稳定性提高，激活氧化磷酸化基因表达。同时，PLUM缺失也破坏了细胞中负责 mRNA 降解的P颗粒，其中富集编码线粒体复合物I和V的基因mRNA，提示PLUM可能通过P颗粒组装调控线粒体功能。综上，基因组中大量“非编码区”曾被视作 “暗物质”，而今，团队揭示这一PLUM的新蛋白，掌控着干细胞命运的“开关”，是迄今为止极少数能实现“决定性诱导”的细胞因子之一。研究同时证明，PLUM的缺失会导致小鼠胚胎着床失败，说明它在生命最初阶段扮演着不可或缺的角色。机制研究将“RNA调控-相分离-线粒体代谢”三者串联，揭示细胞质事件如何反向决定细胞核的多能性状态。该研究不仅为理解多能干细胞命运决定提供全新视角，也为优化多能干细胞状态、改善辅助生殖胚胎质量提供了全新的理论基础与潜在干预靶点。本研究获国家重点研发项目、中国科学院、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、广东省和广州市的经费支持。刘兴国研究员为文章唯一通讯作者。郝志红、邬毅、黄奕乐、张茂雷为文章的并列第一作者。论文链接图注：PLUM的中文含义是“青梅”。李白的一首《静夜思》倾诉了床前思念的情景，“implantation-着床”这一早期发育的重要阶段中，“PLUM-青梅”起了决定性作用，正是“明月浸虚堂，孤影怯着床”。李白的另一首《长干行》是“青梅竹马”这一成语的来源，正是“遥望竹马来，共弄青梅香”。（来自刘兴国研究员的创意）

2025-12-01

深圳先进院 | 从“序列检索”到“结构检索”——肠道微生物组功能研究新范式（Cell Host & Microbe）

该研究建立了人体肠道微生物的蛋白质结构组数据库和结构检索方法，显著提高了对噬菌体蛋白、菌源宿主同工酶等功能暗物质的预测能力大幅提高了噬菌体蛋白、菌源宿主同工酶的功能识别能力。基于这一方法，研究团队成功验证了肠道致病菌的噬菌体裂解酶，并首次揭示了肠道细菌的褪黑素合成途径。人类肠道微生物组蕴藏着上千万个基因，这些基因所编码的蛋白质在人体的代谢、免疫等过程中发挥重要作用，也是开发疾病治疗新技术的重要资源库。然而，微生物蛋白质的进化多样性，给基于序列同源的功能推断方法带来了挑战。例如，在肠道噬菌体基因组中，有超过75%的蛋白无法注释功能。此外，肠道细菌中广泛存在宿主同工酶，但是这些酶与其真核同源基因蛋白的序列同源性很低，往往难以被识别。与序列相比，蛋白质的三维结构在进化中往往更为保守，这为解析肠道微生物的功能暗物质提供了新的研究思路——通过结构信息来推测蛋白质功能。肠道微生物的功能研究亟需从“序列检索”走向“结构检索”的新范式。2025年11月26日，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所（以下简称“深圳先进院合成所”）戴磊研究员课题组联合北京大学汪锴研究员、香港中文大学李煜教授的合作团队在Cell Host & Microbe发表了题为"Exploring Functional Insights into the Human Gut Microbiome via the Structural Proteome"的研究论文。该研究建立了人体肠道微生物的蛋白质结构组数据库和结构检索方法，显著提高了对噬菌体蛋白、菌源宿主同工酶等功能暗物质的预测能力大幅提高了噬菌体蛋白、菌源宿主同工酶的功能识别能力。基于这一方法，研究团队成功验证了肠道致病菌的噬菌体裂解酶，并首次揭示了肠道细菌的褪黑素合成途径。构建人体肠道微生物蛋白质结构组数据库首先，研究团队构建了人体肠道微生物蛋白质结构组数据库（human Gut Microbial Protein Structure database，https://www.gmpsdb.cn/）。该数据库涵盖968个肠道细菌和1255个肠道噬菌体基因组所编码的约270万个蛋白结构（图1）。噬菌体蛋白的结构聚类与功能验证由于噬菌体基因组的快速进化，大部分噬菌体编码的蛋白难以通过序列比对进行注释。研究团队采用结构比对和聚类方法，研究噬菌体蛋白的功能注释和进化规律，发现许多噬菌体蛋白与已知功能蛋白之间存在结构相似度，可以大幅提高噬菌体蛋白的功能推断能力（图2）。噬菌体裂解酶是一种噬菌体编码的溶菌酶，能够高效切割细菌细胞壁。通过系统分析噬菌体裂解酶的结构多样性，研究团队发现其存在结构域重排的进化机制。进而选取人体肠道致病菌噬菌体来源的裂解酶，通过合成生物学技术，成功验证了其针对人体肠道致病菌的裂解活性（图3）。此外，一部分噬菌体裂解酶具有很高的物种靶向性，有望成为微生物组精准编辑的平台技术。肠道菌源-宿主同工酶的结构检索与功能验证研究团队进一步将结构检索的方法拓展至肠道菌源的宿主同工酶。前期研究发现，肠道细菌编码的酶能模拟宿主酶的功能，参与疾病的发生发展过程。通过结构检索，研究团队在青春双歧杆菌（Bifidobacterium adolescentis）、多形拟杆菌（Bacteroides dorei）中发现了参与褪黑素合成的关键酶，首次揭示了肠道微生物的褪黑素合成途径（图4）。动物实验表明，菌源酶能够显著调节宿主体内的褪黑素水平，进而影响肠道生理与疾病状态（图5）。最后，研究团队开发了人工智能方法Dense Enzyme Retrieval(DEER)，能够快速、高效识别同工酶，其性能显著优于现有的基于序列或结构比对的方法（图6）。DEER的模型训练运用了融合结构信息的蛋白质语言模型及对比学习技术，实现了对酶功能的准确预测；DEER模型的推理运用了密集检索技术，实现不依赖比对的快速检索；DEER模型的框架不仅适用于远源酶的挖掘，未来还可进一步拓展到其他功能的蛋白研究。综上所述，本研究提出蛋白结构检索的微生物组功能研究范式，不仅建立了人体肠道微生物蛋白质结构组数据库，还验证了多种噬菌体裂解酶和菌源宿主同工酶的功能，为解析人体肠道微生物组的功能暗物质提供了重要的工具和思路。深圳先进院合成所戴磊研究员是本研究的主要通讯作者，北京大学汪锴研究员和香港中文大学李煜教授为共同通讯作者。深圳先进院合成所助理研究员刘红宾博士是本研究的第一作者，深圳先进院合成所助理研究员沈俊涛博士、北京大学张志威博士、香港中文大学王久铭博士、深圳先进院合成所张成辛研究员为论文的共同第一作者。北京大学姜长涛教授、智峪裕生科王晟博士、深圳先进院合成所司同研究员和马迎飞研究员对于本研究提供了重要支持。该项研究成果获得国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。本研究获得了深圳合成生物研究重大科技基础设施和深圳合成生物学创新研究院公共技术平台提供的支持。戴磊课题组在定量生物学与合成生物学的交叉领域开展研究，致力于实现复杂微生物组在基因层次、群落层次的功能预测和精准编辑。近年来，以通讯作者（含共同）在Cell Host & Microbe（2025，2023）、Nature Biomedical Engineering (in press)、 Nature Communications（2025，2024，2023）、The ISME Journal（2022）等期刊发表研究论文。课题组长期招收人工智能、合成生物学、微生物组学等相关专业博士后，联系邮箱：lei.dai@siat.ac.cn。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.chom.2025.11.001图1. 人体肠道微生物的蛋白质结构组数据库图2. 基于结构聚类的噬菌体蛋白功能推断图3. 针对人体肠道致病菌的噬菌体裂解酶活性验证图4. 基于结构检索发现肠道菌的褪黑素合成酶图5. 菌源酶能够显著调节宿主体内的褪黑素水平图6.基于人工智能DEER的肠道菌源宿主同工酶挖掘

2025-12-01