张荣、王洪江、贾海英、杨媛、孙博、杨凯、高俊峰、高川、战略支援部队特色医学中心、研究部、特勤健康中心、航天临床医学科、神舟医疗队
双光子显微镜（Two-photon microscope）是一种高分辨率的显微镜技术，它利用两个低能量的光子同时激发样本，从而获得三维立体的高清图像。与传统显微镜技术相比，双光子显微镜具有较大的穿透深度、较低的背景荧光和较少的细胞损伤等优点，因而被广泛应用于生物医学研究领域。神舟十五号航天员乘组使用空间站双光子显微镜开展在轨验证实验任务并取得成功，此次实验实现了多项第一：
- 世界首次：双光子显微镜在轨正常运行。
- 国内首次：飞秒激光器在轨正常运行。
- 国际首次：在轨观测航天员细胞结构和代谢成分信息。
在轨验证实验的空间站双光子显微镜项目，由中国科学院院士程和平担任，自研仪器为未来开展航天员在轨健康检测研究提供了全新工具，也为未来利用中国空间站平台开展脑科学研究提供了重要的技术手段。
空间站双光子显微镜外型看上去和打印机类似。神舟十五号航天员乘组使用空间站双光子显微镜开展在轨验证实验任务取得成功。是目前已知的世界上首次在航天飞行过程中使用双光子显微镜获取航天员皮肤表皮及真皮浅层的三维图像。
神十五乘组在轨使用双光子显微镜
双光子显微镜用途
双光子显微镜的原理是利用两个相当低频率的激光束同时通过透镜，进入样品。当两个低频激光束在样品中的焦点交汇时，只有同时处于两束光子对应波长的区域才会被激发发光，使得仅激发样品焦点位置的荧光信号形成。这种二次非线性光学过程产生的双光子荧光信号，则可以在样品内深层结构进行高分辨率成像。另一方面，双光子激发荧光信号仅在焦点内产生，减少了有机染料等光毒性物质对生物样品的损伤。
双光子显微镜的应用范围非常广泛，以下是一些主要的用途：
1. 细胞和组织成像：双光子显微镜可以在活体细胞和组织上进行高分辨率的成像，观察细胞内的分子和结构。它可以提供细胞和组织的立体结构、形态、空间分布和细胞动力学等相关信息，对于研究细胞的表面、核内结构和细胞器的功能有重要意义。
2. 神经活动成像：双光子显微镜可以通过染色剂或染料与生物标记物相互作用，对神经元的形态、连接和电生理活动进行实时观察。科研人员可以利用这一技术来研究神经元的空间分布、突触传递、突触结构和神经网络的功能等。
3. 癌症研究：双光子显微镜可以观察和追踪肿瘤细胞在活体内的扩张和转移过程。通过染色剂或荧光标记物，可以定量测量肿瘤细胞或器官中的生化分子表达。同时，双光子显微镜还可以用于药物研发和评估，以及肿瘤病理过程的研究。
4. 免疫学研究：双光子显微镜可以观察和监测免疫细胞在活体内的迁移和活动过程。例如，它可以用来研究免疫细胞与细菌、病毒、寄生虫等病原体的相互作用，以及固定免疫细胞和移行免疫细胞之间的相互作用。
5. 皮肤研究：双光子显微镜可以在活体皮肤上观察细胞和组织的生理和病理过程，如麻风病、荨麻疹、红斑狼疮等。通过观察细胞的某些特征，如细胞核形态、细胞壁分布等，可以帮助诊断皮肤疾病。
总之，双光子显微镜结合了高分辨率成像和活体成像的特点，是一个强大的生物医学研究工具。它能够提供细胞和组织的高分辨率三维图像，帮助科研人员深入了解生物样品的结构和功能，从而进一步推动生命科学的发展和医学的进步。
皮肤的结构和生理功能
皮肤是人体最大的器官，是位于人体表面的与外界环境直接接触的一种组织，对人体起着重要的保护作用。主要承担着保护身体、排汗、感觉冷热和压力等功能。皮肤覆盖全身，它使体内各种组织和器官免受物理性、机械性、化学性和病原微生物性的侵袭。
成人的皮肤面积为 1.6—2 平方米，总重量（包括皮下组织）约占人体体重的 16%，皮肤厚度（不包含皮下组织）约为 0.5 — 4mm，表皮的厚度全身各部位的皮肤厚度不尽相同，眼脸处皮肤最薄，比较娇嫩，足底处皮肤最厚。皮肤的含水量占身体含水量的 18% — 20%。
皮肤由表皮、真皮和皮下组织构成，并含有附属器官（汗腺、皮脂腺、指甲、毛发）以及血管、淋巴管、神经和肌肉等。
【表皮层】
在显微镜下皮肤的表面是凹凸不平的，深入皮肤的表面，我们看到它由皮沟、皮丘、汗毛、毛孔等构成随着年龄的 增长， 皮肤机能逐步衰退，皮沟与皮丘距离会变大，皮肤纹理也 会变粗皮肤的表面有点象连绵起伏的山丘，所以凸起的部 位我们形象地称之为皮丘，凹进的部位称之为皮沟。
表皮是皮肤最外面的一层，平均厚度为0.2毫米，根据细胞的不同发展阶段和形态特点，表皮层的结构由内至外可分为五层：基底层、有棘层、颗粒层、透明层和角质层，其特点和生理功能分别是：
1、基底层
基底层具有增殖功能。是皮肤表皮层最内层，细胞呈单层圆柱形或立方形，与基底膜带垂直排列呈栅栏状，是增值能力最强的一 层细胞，每天30%-50%的基底细胞进行核分裂，分裂周期为19天，基底细胞层PH值为6.8-6.9，呈弱酸性。
每10个细胞为一组垂直重叠为一个表皮增值单位，基底部中心为干细胞，位于表皮下部 ，周边为短暂增值细胞，皮肤在创伤愈合的过程中，基底层细胞有着重要的再生修复作用，也是表皮层细胞的生命之源。平均每10个基底母细胞中含有1个黑色素细胞，决定每个人肤色的深浅。
2、有棘层
有棘层部分细胞具有增殖的功能，很多抗原物质的受体在此层。位于基底层之上，由4- 10层多边形、体积较大的棘层细胞组成，细胞间隙内有淋巴液流动，为细胞提供营养，也有分裂增值的能力，但仅限于深层接近基底层的细胞，细胞形状愈向浅层愈扁平，棘细胞层的PH值为7.3- 7.5，呈弱碱性。
细胞间含有外被多糖，具有亲水性和黏合作用。还含有糖结合物、天胞疮受体、糖皮质激素、肾上腺素及其他激素受体、HLA-DR抗原和表皮生长因子受体等。
3、颗粒层
颗粒层细胞之间连接紧密，主要起保水作用。位于棘细胞层浅部，一般由3- 5层扁平细胞或梭形细胞组成，是进一步向表皮细胞分化的细胞，由于它在正常表皮细胞和死亡细胞之间过渡，因此也称过渡带。
生物化学研究表明颗粒内富含组氨酸蛋白，颗粒层中含有矿物质，以钙最多。颗粒层上部的细胞内的“膜被颗粒”向细胞间隙释放磷酯类物质，是邻近细胞间不易分离，称为防水屏障，使表皮水分不易渗入，也阻止体内水外渗 ，常温下呈封闭状态，防止水分流失及细菌感染。
遇热会产生裂隙而吸收营养。皮肤能合成糖原，成年人皮肤内含糖约80mg，主要分布于颗粒层，糖尿病人皮肤含糖量会增高，故易受细菌和真菌感染，人体摄入过多糖份，也会促使衰老加速。
4、透明层
透明层起到屏障作用。是角质层前期，由2- 3层扁平细胞组成，无细胞核，仅见于手掌和脚底的表皮，HE染色体呈嗜酸性，有强折光性，胞质中内含有直径为7- 8nm的微丝和疏水性蛋白结合磷脂，具有防止水、电解质和化学物通过的屏障作用。在静电上，颗粒细胞层为荷阴电荷带，透明层为荷阳电荷带，构成表皮的重要防御屏障。
5、角质层
角质层是肌肤的保护屏障。是表皮最外层，由多层角质细胞和角质层脂质组成，细胞扁平无核，多数部位是5-15层，而掌跖部可达40- 50层，细胞结构模糊，胞膜增厚，胞内充满张力丝和角蛋白，具有较强的吸水性，使皮肤柔软，防止体内水分过度蒸发，能够抵抗外界摩擦防御致病微 生物的入侵，对酸、碱、紫外线有一定的耐受力，是构成人体最重要的天然保护层。
角质层细胞的桥粒逐渐消失，角质细胞由互相紧密结合到松懈，并且不断脱落成为皮屑，而基底层细胞不断产生新的角质细胞相继补充，这种新陈代谢是表皮的厚度保持相对稳定的状态，表皮内没有血管，细胞的营养和代谢依靠细胞间隙中物质的扩散来传递。
角质层具有吸湿性和保湿性，二者密切相关，当角质层缺乏保湿性时，即使吸收水分，也会迅速流失，角质层虽然很薄，一般不超过20µm，角质层内水分有两种存在形式，即结合水和游离水，结合水在角质层内与离子、氨基酸和蛋白等结合呈分子状态，角质层的柔软性与结合水有密切的关系。
【真皮层】
真皮与表皮交界处0.5－1微米呈波浪型交接处称为基底膜带。细胞间有间隙主要含有中性粘多糖。基底膜带使表真皮紧密联系起来，是真皮与表皮进行物质交换的场所, 能够交换原料和氧气的半渗透膜和屏障作用。一旦受损或结构异常可出现表真皮分离，形成表皮下水疱。
真皮层位于表皮下层，厚度为0.2厘米左右，此层含水量占皮肤60%，促进皮肤的湿润和弹性。皮肤的坚实和弹性主要由真皮层决定的。储存水分和血液，对皮肤营养起主要作用。真皮层主要分为乳头层、网状层和基质。其特点和生理功能分别是：
1、乳头层
位于真皮最上面、最薄的一层由胶原纤维组成；形成许多乳头状隆起，给皮肤较大的弹性空间；内含丰富的神经末梢、毛细血管及毛细淋巴管，将养份送至表皮；乳头下层含有较多的水份，此处缺水，表皮形成细小皱纹。
2、网状层
与表皮平行延伸并且相互交织成网，给皮肤以抗压性和坚实性，以保护内在的组织器官，主要由粗大的胶原纤维、较多的弹性纤维和网状纤维组成，若此层的胶原纤维断裂或者变硬造成皮肤老化而产生皱纹。含有丰富的血管、神经为皮肤提供营养，也具有杀菌防御能力。
胶原纤维——真皮的主要成分，由胶原蛋自构成，其胶原均结合成束，故有一定伸缩性，使皮肤具柔韧性，抵抗外界牵拉，防止皮肤松弛。但缺乏弹性。
弹性纤维——较好的弹性，使牵拉后的胶原纤维复原，在真皮的网状层较粗大，是构成皮肤及其附属器的支架。
网状纤维——较幼稚的胶原纤维，仅见于表皮下及汗腺，皮脂腺，毛囊和毛细血管周围。创伤时大量产生,促进伤口愈合。抑制纤维母细胞厚度可防疤增生。
3、基质
基质是一种无定形的胶状物质，主要成分为粘多糖、蛋白质、电解质、和水。保持组织水份，为细胞代谢提供营养，自然屏障，防止病原菌大量侵入；对纤维束起到粘合润滑作用。(故老年人的皮肤多皱,多干燥、多松弛)
【皮下组织】
主要是由脂防细胞和疏松的结缔组织构成,又称皮下脂防层,其厚度约为真皮层的5倍，是保温防寒、储存能量,缓冲外力,保护内部组织:内含丰富的血管、淋巴管、神经、汗腺和深部毛囊等。
双光子显微成像技术是基于双光子吸收及荧光激发的一种非线性光学成像技术，具有高分辨率、强三维层析能力、大成像深度、在体无创无标记的特点，并且可以特异性激发胶原纤维的二次谐波信号，特别适合对活体生物组织进行结构和功能的在体无创显微成像。但由于传统的双光子显微镜整机系统庞大，不能满足在轨实验仪器设备对可靠性、体积、重量、抗冲击和振动性能等的苛刻要求，此前国际上还未能实现双光子显微成像技术在空间站上的在轨运行与应用。
2022年11月12日，空间站双光子显微镜搭乘天舟五号货运飞船成功运抵中国空间站，成为世界上首台进入太空的双光子显微镜。近日，神舟十五号航天员乘组完成了双光子显微镜的安装、调试和首次成像测试，成功获取了在轨状态下航天员脸部和前臂皮肤的在体双光子显微图像。
双光子显微镜能以亚微米级分辨率清晰呈现出航天员皮肤结构及细胞的三维分布，具备对皮肤表层进行结构、组分等无创显微成像的能力。成像结果显示，皮肤的角质层、颗粒层、棘层、基底细胞层、真皮浅层等三维结构清晰可辨。
神十五乘组航天员皮肤的双光子显微成像结果
皮肤的双光子显微成像结果的层析
空间站双光子显微成像的信号来源于细胞及胞外基质中具有自发荧光的物质，以及胶原纤维产生的二次谐波信号。这些信号有助于实现对航天员细胞线粒体代谢应激反应功能探测。通过对具有自发荧光的细胞代谢产物的量化观测,可以反映出航天员机体代谢功能。