依托平台 研以致用

——中国科学院武汉物理与数学所核磁共振技术的研发进展

作者:刘买利 周欣

        核磁共振(NMR)技术的发展趋势,可以从核磁共振相关研究所被授予的五次诺贝尔奖中获得一条清晰的脉络。

核磁共振与诺贝尔奖的渊源

        核磁共振(NMR)技术的发展趋势,可以从核磁共振相关研究所被授予的五次诺贝尔奖中获得一条清晰的脉络。

        20世纪40到50年代是核磁共振现象的发现和实现期。1944年美籍奥地利科学家Rabi因发展了磁共振方法观察原子核性质而获得了诺贝尔物理学奖;斯坦福大学的Bloch和哈佛大学的Purcell因分别观察到凝聚态物质的核磁共振现象享了1952年的诺贝尔物理学奖。

        20世纪60到80年代是核磁共振的黄金时期。这期间核磁共振的理论、仪器、技术和方法得到了全面发展。核磁共振在化学和生物学中的应用对推动核磁共振的发展起到了巨大的作用。瑞士科学家Ernst因对核磁共振方法学的卓越贡献,获得了1991年的诺贝尔化学奖。在这期间还诞生了磁共振成像(MRI)技术,并迅速发展成为极为重要的活体无损谱学和影像学研究手段,在脑科学和临床医学,以及人类健康产生了巨大影响。

        进入1990年代之后,核磁共振波谱学的应用范围进一步扩大,研究对象从有机小分子,拓展为生物大分子的三维结构、相互作用和动力学过程等。瑞士科学家Wüthrich因在溶液中蛋白质三维结构的核磁共振测定方法方面的卓越贡献,分享了2002年诺贝尔化学奖。2003年度的诺贝尔生理学或医学奖授予了对核磁共振成像技术做出卓越贡献的美国化学家Lauterbur和英国物理学家Mansfield。

        这五次诺贝尔奖,代表着核磁共振研究从物理学、化学和生命科学三个里程碑式的发展历程,也是对核磁共振及其工作者为科学发展所作贡献的肯定。需要特别指出的是,核磁共振波谱和成像仍然处于高速发展之中,面临着更多更大的挑战。

从波谱学,到磁共振

        实时无损的成像优势和高时空分辨是核磁共振波谱学的最大特色和优势。核磁共振是结构生物学研究中的两大主流手段之一,另一种主要手段是X射线晶体衍射,超过99%的蛋白质三维结构是通过这两种手段测定得到的。通过X射线晶体衍射得到的蛋白三维结构,其构象被锁定在单一状态(晶体),是静态结构;用核磁共振获得的是溶液中、甚至是活细胞中的动态结构,更接近于生理状态。核磁共振技术还可提供生物分子结构转化、相互识别和相互作用等动态信息,更有利于研究生物过程和机制。

        核磁共振成像(MRI)的优势是能够在无损条件下提供活体中生物分子、组织的分布及其变化等信息。与临床检验中使用的计算机断层扫描(CT)和正电子发射断层成像(PET)相比,MRI没有潜在的放射性损伤,而且具有高分辨率、高对比度,可对不透明物体成像等优点, 因此目前被广泛地应用于临床各类疾病的诊疗中, 成为一种重要的医学影像技术。

        而说起武汉物理与数学研究所核磁共振的渊源,不得不提到王天眷先生。他是我国波谱学的创始人之一, 1960年回国后,首先在中国科学院武汉物理与数学所(原中国科学院武汉物理所)创建了波谱学研究室,培养和造就了一批波谱学研究骨干。

        上世纪80年代以来,在叶朝辉院士的带领下,研究所建成了波谱与原子分子物理国家重点实验室、武汉磁共振中心(国家大型科学仪器中心)、中国科学院生物磁共振分析重点实验室等研究平台,积极推进核磁共振与化学、生物医学的交叉。

        研究所在核磁共振研究获得的重大成果中,有的已经成为蛋白质结构计算的基础数据,有的成为核磁共振实验的经典方法,研制成功的拥有完全知识产权的国产高场核磁共振波谱仪已进入工程化阶段,适用于人体肺部重大疾病研究的磁共振成像系统取得了阶段性成果。在Science,PNAS,JACS,PRL等杂志发表了数百篇有影响的研究论文。整体实力不断加强,团队的特色更加鲜明。

学科交叉,激发创新

        我们始终坚持面向国家重大需求、面向科学前沿;坚持学以致用、研以致用。首先,我们重视多学科交叉和融合。在2009年获得国家创新群体资助时,叶朝辉院士就指出,这标志着我们所的核磁共振研究实现了从依托无线电物理到依托分析化学的转变。我们开展的交叉研究,无线电物理、物理化学、生物物理、脑科学等学科支撑依然是必要的。

        其次,我们一直重视并拥有一支多学科交叉和融合的研究队伍。近年来物数所引进和培养了一批具有化学和生物学背景的中青年骨干,其中有6人先后获得国家杰出科学基金资助,有10余人入选中科院"百人计划"或青年"千人计划",有4人成为973项目首席科学家或国家重大科研仪器研制专项负责人,得到国家创新群体的资助。

        另外,我们不断凝练科学目标,强调基础研究与应用研究相结合、顶层设计与自由探索相结合,始终坚持面向国家重大需求、面向科学前沿。在资源配置上向交叉型合作研究倾斜、向具有交叉型研究能力的人才倾斜、向具有重大应用背景和有望取得重大突破的课题倾斜。如我们承担了两个科研仪器研制专项,解决了我国大型磁共振仪器从无到有这一划时代问题,预期会对肺部功能和疾病的诊疗产生重大影响。

        我们在所制定的《研究所中长期发展规划》中明确提出核磁共振学科要在国际舞台上发挥引领作用。为此,我们特别重视波谱与原子分子物理国家重点实验室、武汉磁共振中心(国家大型科学仪器中心),中国科学院生物磁共振分析重点实验室等研究平台的建设。

        在研究所科研单元中,设立了磁共振基础研究部、磁共振应用研究部、高技术创新与发展中心和磁共振技术中心,以保障基础研究、应用研究、高技术研发和技术支撑能够按照各自的规律高效运行,同时以上述平台为纽带,促进各单元之间的协作。

        在学科布局上,我们在固体核磁共振、液体核磁共振、磁共振成像和磁共振仪器等技术手段方面,以及面向物理、化学和生物医学的磁共振技术、方法和应用研究方面已经形成了自己的特色和优势。同时采取措施鼓励磁共振学科与研究所原子分子光物理和数学物理等学科的交叉。

技术源头,研产结合

        当前中国正处在经济转型的关键时期,习总书记多次强调要改变原有经济增长模式,调整产业结构,实施"创新驱动发展"战略,科研成果的转移转化是实施这一国家战略的重要举措。

        武汉物数所一贯重视科研成果的转移转化,我们以磁体技术入股"沈阳东软波谱磁共振技术有限公司",就是成功实现产业化的一个例子。最近我们又以磁共振谱仪为主导技术,成立了"武汉中科波谱技术有限公司",所生产的磁共振谱仪已经进入市场。对于有产业化前景的技术,适时转入、挂靠东湖自主开发区的"中科院湖北产业技术创新与育成中心"等机构实现再开发及转移转化,这是技术进入市场必不可少的环节,技术升值和风险并存。

        简而言之,研究所是高技术产业化的一支重要力量,基础研究是孕育高技术的源头。基础研究、高技术研发、成果的转移转化和产业化具有不同的规律和文化特征。保障技术转移转化的渠道畅通,涉及到政策、资源、人才、利益、市场等诸多方面,是一个系统工程。我们作为一个研究所,也在不断探索如何在保障国家利益不受损失的前提下,最大限度地调动技术人员等各方面的积极性,促进技术研发成果高效转化为产品,贡献于国民经济的发展。