緊湊型激光加速器是一種利用激光來加速粒子的先進設備，它相較于傳統(tǒng)加速器具有更緊湊、更節(jié)能的特點。但當下的激光加速離子的技術尚未達到傳統(tǒng)加速器的能量水平。最近，中國科學院理論物理研究所弓正及合作者提出了一種新型離子加速方案，比當下激光離子加速器的能量記錄至少高出一個數(shù)量級。
生物正交化學指的是在活體生命系統(tǒng)內(nèi)部能夠發(fā)生的并且不影響本身生物化學過程的化學反應。近日，北京大學陳鵬課題組聯(lián)合北京大學席建忠、中國科學院腫瘤醫(yī)院康曉征、南京大學李顏和北京大學第三醫(yī)院林堅課題組開發(fā)了一種生物正交嵌合體平臺，極大地促進了化學生物學與腫瘤免疫學的深度交叉融合。
基于國際科技創(chuàng)新中心網(wǎng)絡服務平臺科創(chuàng)熱榜每日榜單形成的一周科技記憶，我們推出《一周前沿科技盤點》專欄。今天，為大家?guī)淼?24期。
1.《Physical Review Letters》丨給“慢速”加速，是有多快？
慢速激光離子加速的方案示意圖
粒子加速器是一種利用電磁場加速帶電粒子并使其獲得高能量的儀器。傳統(tǒng)加速器由于受射頻擊穿的限制，其加速梯度最高僅能達到100MeV/m。而緊湊型激光加速器通過等離子體波作為加速媒介，理論上可實現(xiàn)高出三個數(shù)量級的加速梯度（>100GeV/m），有望取代傳統(tǒng)的大型加速器，并在粒子與核物理、實驗室天體模擬、高能密度科學及醫(yī)學診療等領域展現(xiàn)重要應用價值。然而，當前激光加速離子的技術仍未達到傳統(tǒng)加速器的能量水平，主要難點在于離子因慣性較大且移動速度較慢，難以追趕上光速傳播的激光加速結構。
最近，中國科學院理論物理研究所弓正及合作者提出了一種新型離子加速方案——利用速度可調(diào)的時空耦合光脈沖技術，通過控制激光包絡的傳播速度與離子的運動速度相匹配，實現(xiàn)對離子的同步、持續(xù)、高效加速。理論研究表明，采用一個焦點橫向移動且強度為的光場，可以在氣體等離子體中將離子加速到每核子GeV的能量水平，這比當前激光離子加速器的能量記錄（每核子100MeV）至少高出一個數(shù)量級。此外，他們通過哈密頓動力學分析解析推導出了成功捕獲和加速離子的閾值條件，并通過多維等離子體動理學模擬驗證了該方案的普適性和魯棒性。
該研究不僅為解決激光離子加速中能量低這一關鍵問題提供了有效方案，同時也為利用時空耦合光脈沖解決等離子體物理難題提供了新的視角。
2.《Cell》丨“長袖善舞”的T-linker，給生物正交化學藥物研發(fā)帶來哪些變化？
生物正交嵌合體招募多種免疫細胞靶向?qū)嶓w瘤免疫微環(huán)境
生物正交化學指的是在活體生命系統(tǒng)內(nèi)部能夠發(fā)生的并且不影響本身生物化學過程的化學反應?？梢哉f，生物正交化學在生物分子的標記、示蹤、動態(tài)干預等方面都發(fā)揮著重要作用。在臨床藥物研發(fā)中，生物正交化學也廣泛應用于藥物開發(fā)、遞送、作用機制研究等。但在腫瘤免疫治療領域，生物正交化學尚未得以完全應用。
近日，北京大學陳鵬課題組聯(lián)合北京大學席建忠、中國科學院腫瘤醫(yī)院康曉征、南京大學李顏和北京大學第三醫(yī)院林堅課題組開發(fā)了一種生物正交嵌合體平臺，利用其發(fā)展的多特異性生物正交偶聯(lián)臂（T-linker）模塊化、位點特異性地整合三種藥物分子，形成生物正交嵌合體（Multi-TAC），用于多種不同類型免疫的同時招募。
T-linker能通過三種“相互正交”的化學反應，模塊化、程序化、標準化地制備不同類型、不同尺寸、不同性質(zhì)的多特異性生物正交嵌合體（Multi-TAC）。該平臺還能控制藥物分子偶聯(lián)比例，并通過可裂解型連接子實現(xiàn)藥物的原位釋放，從而能夠靈活地應用在各種場景當中。
該工作使生物正交反應進入了“組合化學”的新時代，為生物正交化學在藥物偶聯(lián)領域的應用開拓了新的路徑，并極大地促進了化學生物學與腫瘤免疫學的深度交叉融合。
3.《Genome Research》丨推出DigNet，基因調(diào)控網(wǎng)絡“智”在掌握
DigNet框架流程圖
近日，山東大學控制科學與工程學院劉治平團隊開發(fā)了一種名為DigNet的新型預訓練計算框架，通過結合離散擴散生成模型和圖嵌入方法，實現(xiàn)了從單細胞RNA測序數(shù)據(jù)到基因調(diào)控網(wǎng)絡的端到端直接生成的新模式，顯著提高了基因調(diào)控網(wǎng)絡推斷任務的精度與效率，為解析復雜生物分子網(wǎng)絡、發(fā)現(xiàn)信號通路和尋找疾病生物標志物提供了有力的新工具。
基因調(diào)控網(wǎng)絡精確地編碼了細胞內(nèi)基因角色與功能之間的相互作用，從而決定了細胞的特異性。盡管歷經(jīng)了數(shù)十年的研究，從基因表達數(shù)據(jù)中逆向構建基因調(diào)控網(wǎng)絡仍然面臨巨大挑戰(zhàn)，尤其是在構建能夠精確匹配細胞和遺傳背景特異性的基因調(diào)控網(wǎng)絡時。為此，DigNet將網(wǎng)絡推斷任務分解為一系列具有馬爾可夫特性的多步擴散過程。每一步都運用特定模型重建部分基因調(diào)控架構，以確保網(wǎng)絡結構與基因表達譜之間的高度契合。這種生成模式不僅考慮了多個基因間的復雜調(diào)控關系，還著重關注了調(diào)控網(wǎng)絡中的全局結構信息。此外，通過結合元細胞(meta-cell)集成技術與非歐幾里德離散空間建模，DigNet能夠有效應對數(shù)據(jù)中的噪聲問題并克服網(wǎng)絡稀疏性的挑戰(zhàn)。
4.《Advanced Materials》丨用水凝膠粘接劑，建構守護生命的牢固“紐帶”
水凝膠型生物組織粘接劑因其優(yōu)異的生物相容性和可調(diào)節(jié)的物理化學特性，在組織密封、傷口修復、人機界面和植入式生物電子器件等領域受到廣泛關注。然而，生物組織表面水合層的存在以及水分子對聚合物分子間或分子內(nèi)相互作用的破壞通常會造成水凝膠界面或基體功能的失效，從而使其濕粘接性能減弱。因此，急需開發(fā)具有充足濕粘接能力和抗溶脹性能的水凝膠型生物組織粘接劑以滿足臨床應用需求。
近日，西安交通大學成一龍團隊提出了一種通過調(diào)節(jié)分子結構和分子間相互作用協(xié)同，以改善水凝膠粘接劑界面濕組織粘附性、基體抗溶脹性的全新策略。他們利用疏水性氨基酸衍生物N-丙烯酰苯丙氨酸（APA）中羧基與苯環(huán)在同一結構單元的獨特結構，結合分子間多重氫鍵以及兩性離子基團介導的靜電相互作用，開發(fā)出一種新型水凝膠粘接劑（PAAS），其能夠在濕潤的生物組織上快速（~20s）建立牢固的粘接界面（粘接強度85 kPa，界面韌性450Jm-2，爆破壓514mmHg），并且能在高濕度環(huán)境下保持其功能與結構的穩(wěn)定性（10天內(nèi)溶脹率小于4%）。
系統(tǒng)性分析結果表明，PAAS水凝膠可與多種器官組織（肝、肺、心臟、胃、動脈和皮膚）形成牢固的粘接界面。此外，通過結合熱塑性聚氨酯組裝成具有非對稱粘接特性的即用型生物貼片，PAAS貼片在大鼠、兔子和豬的多項體內(nèi)器官損傷模型中表現(xiàn)出了顯著的生物組織粘附性，可用于體內(nèi)緊急止血和器官損傷的加速愈合，并且避免出現(xiàn)術后組織或器官的粘連。
此外，PAAS水凝膠還能在高濕度或水下環(huán)境中與動態(tài)的生物組織保持穩(wěn)定的組織粘附，不僅能為人體健康監(jiān)測（脈搏、ECG和EMG）提供準確持久的生理信號輸出，而且還能夠驗證PAAS貼片在兔子和豬頸動脈損傷出血模型中的傷口密封效果。以上設計策略與研究結果不僅為設計具有強效濕粘接性能和抗溶脹性能的生物組織粘接劑提供有益的啟發(fā)，而且為臨床治療緊急出血、組織或器官損傷以及水凝膠生物界面提供新的選擇。
5.《Neuroelectronics》丨高效神經(jīng)調(diào)控芯片，讓腦機接口技術行穩(wěn)致遠
八通道神經(jīng)刺激芯片裝置主要包括波形發(fā)生器、電荷平衡器、和高壓驅(qū)動器，在電極模型、PBS溶液和動物實驗中進行了測試和驗證。
隨著神經(jīng)科學和腦機接口技術的快速發(fā)展，如何在神經(jīng)調(diào)控中實現(xiàn)高效、安全的神經(jīng)刺激一直是科研和醫(yī)療領域關注的重點課題。近日，由天津大學、北京工業(yè)大學、天津中醫(yī)藥大學、南方科技大學的研究人員合作設計出一款八通道高壓神經(jīng)刺激集成電路（IC），采用雙相指數(shù)波形輸出和電荷平衡，提升了神經(jīng)刺激的效率和安全性，為神經(jīng)調(diào)控和植入設備的進一步發(fā)展帶來新契機。功率效率的提升是一大亮點。通過使用指數(shù)波形輸出代替?zhèn)鹘y(tǒng)的恒流刺激模式，功率效率提高至98%，不僅減少了電能消耗，還有效控制了設備在工作過程中的熱量散發(fā)。
這款芯片經(jīng)過體外與體內(nèi)實驗的雙重驗證。在體外測試中，與不同的電極-組織界面模型進行了廣泛的模擬實驗，成功實現(xiàn)了低殘余電荷的神經(jīng)刺激。在體內(nèi)實驗中，通過對大鼠的迷走神經(jīng)和坐骨神經(jīng)進行刺激，觀察到顯著的肌肉收縮效果，證明了其在實際應用中的潛力。
該研究成果不僅為神經(jīng)科學研究提供了重要工具，更有望在智能醫(yī)療設備領域開辟新篇章，讓神經(jīng)調(diào)控技術更好地服務于臨床和康復治療。
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