活体成像技术原理及应用

活体成像技术原理及应用

活体成像技术主要是利用一套非常灵敏的光学检测仪器，能够直接监控活体生物体内的细胞活动和基因行为。通过这个系统，可以观测活体动物体内肿瘤的生长及转移，感染性疾病发展过程、特定基因的表达等生物学过程。其优点为较传统屠宰动物相比，该技术能够对同一种实验对象在不同时间点进行记录，跟踪同一观察目标（标记细胞及基因）的移动及变化，所得的数据更加真实可信。目前主要采用生物发光（bioluminescence）与荧光（fluorescence）两种技术。

1：技术原理

活体生物发光技术是指在小的哺乳动物体内利用报告基因（如荧光素酶基因）表达所产生的荧光素酶蛋白与其小分子底物荧光素在氧、Mg²⁺离子存在的条件下消耗ATP发生氧化反应，将部分化学能转化为可见光能释放，然后在体外利用敏感的CCD设备形成图像。荧光素酶报告基因质粒可以被插入多种基因的启动子，成为某种基因的报告基因，通过检测报告基因从而实现对目标基因的监测。

生物荧光其本质为化学荧光，荧光素被荧光素酶氧化的过程中可以释放波长广泛的可见光光子，其波长范围为460-630nm（平均波长为560nm）。在哺乳动物体内血红蛋白是吸收可见光的主要成分，能吸收蓝绿光波段中的大部分可见光；水和脂质主要吸收红外线，但其均对波长为590-800nm的红光近红外线吸收能力较差，因此波长超过600nm的红光虽然有部分散射消耗但大部分可以穿透哺乳动物组织被高灵敏的CCD检测到。

2：应用范围

癌症与抗癌药物研究；免疫学与干细胞的研究；细胞凋亡；病理机制及病毒研究；基因表达和蛋白质之间相互作用；转基因动物模型构建；药效评估；药物甄选与预临床检验；药物配方与剂量管理；肿瘤学应用；生物光子学检测；视频监督与环境监督等。

1：肿瘤学

活体成像技术可以在近无创条件下对活体组织或小动物体内的生物学行为进行成像跟踪，已被广泛应用于肿瘤研究中。

活体生物发光成像技术能够让研究人员能够直接快速的测量各种癌症模型中肿瘤的生长、转移以及对药物的反应。其特点是极高的灵敏度使微小的肿瘤病灶（少到几百个细胞）也可以被检测的到。比传统的方法的检测灵敏度大大提高，非常适合于肿瘤体内生长的定量分析。避免屠杀老鼠而造成的组间差异，节省动物成本。由于以上特点，使基于转移模型、原位模型、自发肿瘤模型等方面的肿瘤学研究得到发展。建立肿瘤转移模型，可以观察肿瘤转移情况，进一步探讨肿瘤转移的机制。

2：药物研究

抗肿瘤药物研究：

由于活体成像技术具有更高的灵敏度，故较传统方法能够更精准地对早期瘤块细胞进行检测。同时，该技术检测到的细胞仅为活细胞。综上，该技术能够更早更灵敏的发现药物的疗效。

通过给予肿瘤接种的小鼠不同剂量，不同给药时间，不同给药途径，观察抗肿瘤药物的最佳给药途径，给药剂量及时间，从而制定合适的剂型与服药时间。

药物代谢相关研究：

标记与药物代谢有关的基因，研究不同药物对该基因表达的影响，从而可间接知道相关药物在体内代谢的情况。在药剂学研究方面，可通过把荧光素酶报告基因质粒直接装在在载体中，观察药物载体的靶向脏器与体内分布规律。在药理学方面，用荧光素酶基因标记目的基因，观察药物作用的通路。

3：细胞标记

免疫细胞研究：标记免疫细胞，观察免疫细胞对肿瘤细胞的识别和杀死功能，评价免疫细胞的免疫特异性、增殖、迁移等功能。

干细胞研究：a:标记组成性表达的基因，在转基因动物水平，标记干细胞，若将干细胞移植到另外动物体内，可用活体生物发光成像技术示踪干细胞在体内的增殖、分化及迁移的过程。b：用慢病毒直接标记细胞后，移植到体内观测其增殖、分化及迁移过程，研究其修复、治疗损伤或缺陷部分的效果，进一步探讨其机制。

4：基因表达与基因功能的研究

将荧光素酶基因插入到目的基因启动子的下游，并稳定整合于实验动物染色体中，形成转基因动物模型。该方式可实现目的基因与荧光素酶的表达平行，从而可直接观察目的基因的表达模式，包括数量、时间、部位及影响其表达和功能的因素。

5：细胞凋亡

用分子生物学方法在荧光酶的两端连接上抑制发光的蛋白（如激素酶），但在其连接处加上caspase，细胞发生凋亡时，表达caspase，切开抑制荧光酶发光的蛋白，使荧光素酶开始发光。

3：应用前景

活体成像技术能够实现将分子生物学技术从体外研究转移到动物体内研究。因该技术能够观测活体动物内的基因表达和细胞活动，并且该技术具有检测灵敏度高，操作简单等优势，正在越来越广泛地应用于医学及生物学研究领域。

FAQ

（1）生物发光与荧光技术的比较

（2）如何能检测到体内发出的可见光？

答：两个主要的原因能够保证可见光成像技术能够检测到体内发出的微弱的可见光。a：高灵敏度的制冷CCD镜头，可达到零下-105℃，体内发出的非常少的光子也能检测得到。b：绝对密封的暗箱装置，可以屏蔽包括射线在内的所有光线。

（3）大鼠可否用作活体成像实验？

答：成体老鼠和裸鼠，幼鼠及胚胎的区别只在于对可见光的穿透性不同，可见光的穿透能力在3-4cm之间，所以大鼠也可以作为活体成像的动物，关于大鼠活体成像已有很多文章发表。

（4）CCD镜头的低温会不会对小动物产生影响？

答：不会的，低温的范围只局限于CCD镜头的小范围内，其他范围内都是室温。

（5）使用麻醉剂麻醉动物有什么优势？

答：麻醉机麻醉系统相对于腹腔注射对于小鼠的麻醉在时间和精度上的控制更准确，使用也更加方便。

（6）用荧光素进行活体成像与绿色荧光蛋白检测体内发光相比优势何在？

答：荧光素酶的偏红光比绿色荧光蛋白的绿光在体内的穿透性要强近100倍。荧光素是靠和荧光素酶的相互作用发光，特异性很强，得到的信噪比较高；荧光蛋白需要激发光来产生反射光，但是在检测的过程中，老鼠的皮毛，皮肤都会产生非特异性荧光，使得信噪比降低。荧光蛋白检测更适合于体外检测，荧光素酶的检测更适合于体内检测。

（7）与传统技术相比，生物发光成像技术优势体现在哪些方面？

答：与传统技术相比，该技术对于肿瘤转移的研究、基因治疗、流行病学的发病学研究，干细胞示踪，白血病的相关研究等方面，用该技术进行肿瘤的药效研究，比传统方法更灵敏，还可以通过一系列转基因动物疾病模型，来快速直观的进行相关疾病的发病机理和药物筛选研究。

（8）如何用荧光素酶基因标记干细胞吗？

答：可标记组成性表达的基因，做成转基因小鼠，干细胞就被标记了，从此小鼠的骨髓取出造血干细胞，移植到另外一只小鼠的骨髓内，可以用该技术示踪造血干细胞在体内的增殖和分化及迁徙到全身的过程。另外一种方法是用慢病毒标记神经干细胞。

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