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活体成像：一个美好的未来

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发布日期：2011-12-21 16:53 文章来源：Berthold
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关键词： 丁香园 生物专题 伯托生物 活体成像 　 点击次数：

自从Roentgen发现了X光的用途，动物活体成像就走进了科学家的视野。活体成像有很多种模式，除了X光的离子辐射成像，还有声音、磁铁甚至光光成像。

活体动物体内成像技术是指应用影像学方法，对活体状态下的生物过程进行组织、细胞和分子水平的定性和定量研究的技术。

活体动物体内成像技术主要分为可见光成像 (optical imaging)、核素成像（radio-nuclear imaging）、核磁共振（magnetic resonance imaging ，MRI）成像和超声（ultrasound）成像、计算机断层摄影（computed tomography ，CT）成像五大类，其中可见光成像和核素成像特别适合研究分子、代谢和生理学事件，通常称为功能成像；超声成像和CT则适合于解剖学成像，通常称为结构成像。

功能成像与结构成像比较，前者更能够反映细胞或基因表达的空间和时间分布，从而了解活体动物体内的相关生物学过程、特异性基因功能和相互作用。

所以，活体动物体内功能成像技术可用于观察和追踪靶细胞、基因的表达，同时检测多种分子事件，优化药物和基因治疗方案，从分子和细胞水平对药物疗效进行观察，从整体动物水平上评估疾病发展过程，对同一个动物进行时间、环境、发展和治疗影响跟踪。由于功能成像的诸多优势，这项技术广泛应用于生命科学、医学研究及药物开发等方面。

每种成像都有缺点和优点，举例来说，要确定解剖结构的位置和形状，CT扫描、MRI、超声波可能是较好的选择，但涉及到肿瘤细胞的注射位置、表达层面，他们就不能提供必要的信息。

光学成像、化学发光和荧光技术出现了几十年了，由于其相对低的花费、容易操作、高灵敏度、能长期追踪、低毒性等特点而成为活体成像中有效的方法。而荧光探针和化学发光报告子技术的发展使光学成像在临床前分子成像方面得到广泛应用。

早在利用结构成像检测拓扑学变化前，光学成像就确立了其在小动物模式下药物合成方面的潜能。它还打算建立小动物疾病的生物标记，最终应用到临床上。

化学发光和荧光的原理都很简单，前者产生萤火虫和海里生物的光，这是荧光素酶和其底物发生反应的结果，产生电子激发状态，然后发光。

通过生物工程操作，细胞甚至动物都可以产生荧光素酶，其他象ATP和钙离子也能发生类似反应，这样化学发光成为多种分析方法的有效工具。

荧光技术和化学发光相似，只不过是荧光分子在不同波长下得到激发，寿命更短些，类似磷光。

利用这些成像原理，驱动转基因荧光素酶的启动子、荧光标记的抗体和药物都可以在活体动物上成像，动物注射被静脉荧光素底物或药物后，关在不透光的密室内，一旦荧光素酶和底物反应，发出的光被化学发光检测系统捕获。同样，荧光成像系统对抗体或药物成像。精密的检测系统和软件把从动物体内采集到的信号转成图像呈现在屏幕上。

体内可见光成像(optical in vivo imaging)技术主要包括生物发光(bioluminescence)与荧光(fluorescence)成像两种技术。生物发光成像是用荧光素酶(luciferase)基因标记细胞或DNA，利用其产生的蛋白酶与相应底物发生生化反应产生生物体内的探针光信号；而荧光成像则是采用荧光报告基因（如GFP、RFP）或Cyt及dyes等荧光染料进行标记，利用荧光蛋白或染料产生的荧光就可以形成体内的荧光光源。

前者是动物体内的自发光，不需要激发光源，可通过高度灵敏的CCD直接捕捉光信号，而后者则需要外界激发光源的激发才可以捕捉发光信号。传统的动物实验方法需要在不同的时间点宰杀实验动物以获得数据, 得到多个时间点的实验结果。相比之下，体内可见光成像技术通过对同一组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，所得的数据也更加真实可信。另外, 这一技术由于不涉及放射性物质，具有操作简单，所得结果直观，灵敏度高等特点, 在刚刚发展起来的几年时间内，已广泛应用于生命科学、医学研究及药物开发等方面。

编辑: cq

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