小动物活体成像技术研究进展及展望

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发布日期：2012-02-03 09:51 文章来源：中国生物医药工程学报
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关键词： 丁香园 生物专题 伯托 活体成像技术 研究进展 　 点击次数：

随着小动物成像技术的发展，活体小动物非侵袭性成像在临床前研究中发挥着越来越重要的作用。本研究围绕可见光成像、核素成像、核磁共振成像、计算机断层摄影成像和超声成像等5种小动物成像技术，总结其特点及主要应用，比较各种技术的优势和劣势，并讨论小动物活体成像技术的发展趋势。

1. 可见光成像

体内可见光成像包括生物发光与荧光两种技术。

生物发光技术是用荧光素酶基因标记DNA，利用其产生的蛋白酶与相应的底物发生生化反应，产生生物体内的光信号；而荧光技术则采用荧光报告基因(GFP、RFP)或荧光染料（包括荧光量子点等新型纳米标记材料）进行标记，利用报告基因产生的生物发光、荧光蛋白质或染料产生的荧光，就可以形成体内的生物光源。

生物发光是动物体内的自发荧光，不需要激发光源，而荧光则需要外界激发光源的激发。

2 核素成像

正电子发射断层成像技术( positron emissiontomography，PET)和单光子发射计算机断层成像术(single-photon emission computed tomography,SPECT)是核医学的两种显像技术。

临床PET、SPECT显像效果欠佳，分辨率较低（临床PET分辨率为4~8mm），无法满足小动物显像研究的要求。小动物PET、SPECT专为小动物实验而设计，探测区域小，空间分辨率很高，可达1.0 mm；有些动物PET使用活动的扫描架，不只适合小动物，也适合中等大小的动物。PET与SPECT相同之处是都利用放射性核素的示踪原理进行显像，皆属于功能显像。

除了一般分子成像技术都具有的无创伤、同一批动物持续观察的优点外，小动物PET/SPECT与其他分子显像方法相比，还具有以下显著优势：一是具有标记的广泛性，有关生命活动的小分子、小分子药物、基因、配体、抗体等都可以被标记；二是绝对定量；三是对于浅部组织和深部组织都具有很高的灵敏度，能够测定感兴趣组织中p-摩尔甚至f-摩尔数量级的配体浓度，对于大鼠的检测很方便；四是可获得断层及三维信息，实现较精确的定位；五是小动物PET/SPECT可以动态地获得秒数量级的动力学资料，能够对生理和药理过程进行快速显像；六是可推广到人体。

3 小动物CT

CT利用组织密度的不同造成对X射线透过率不同，对机体一定厚度的层面进行扫描，并利用计算
机重建三维图像。

小动物CT(微型CT)作为一种最新的CT成像技术，具有微米量级的空间分辨率(大于9μm)，并可以提供三维图像。大多数系统使用圆锥形的X射线辐射源和固体探测器。探测器可以围绕动物旋转，允许一次扫描动物整体成像；CT的视野探测器是决定CT分辨率水平的关键部件，小动物CT能达到不同的分辨率，从15~ 90 μm，其应用范围很广；专门用于体内研究的仪器的最佳分辨率是50一100 μm，虽然分辨率低但可降低辐射剂量，增快研究进展，使长期纵向研究得以顺利进行。在分辨率为100 μm时，对整个小鼠进行一次扫描大约需15 min，更高分辨率的扫描需要更长时间的扫描。

小动物CT系统在小动物骨和肺部组织检查等方面具有独特的优势。对于骨的研究，分辨率限制在15 μm，如果在小梁水平上分析，负荷也被考虑在内；小动物CT也常应用在呼吸系统疾病（如哮喘、慢性阻塞性肺疾病）的检测，为避免呼吸和其他人为因素造成的动物固定器移动，现在多用附加组件来控制呼吸，使人为因素最小化；特异对比因子的使用可以进一步促进软组织的研究，如心血管病发生、肿瘤生长等。高分辨率小动物CT系统在研究软组织肿瘤和转基因动物的特征性结构上取得了较好的效果。

第一代小动物CT的主要缺点是即使使用特异对比因子、高辐射剂量和长时间的扫描，对软组织的相对分辨率仍很低。第二代小动物CT系统组合了很多在临床上使用的技术，配置了小探测器组件和更强大的X线管，可更快地扫描整个动物(0.8 s)，可使用临床对比剂（造影剂），而且使灌注研究成为可能。此外，使用碘酸盐造影剂显著地改善了图像的对比度，能够看清更小直径的血管(20 μm)。这项技术主要的不足是还必须暴露在电离辐射下，特别是持续反复的研究，电离辐射可能改变肿瘤学等方面的研究。

为了使CT具有分子成像能力，特异CT探针被设计出，探针在CT扫描时同时使用。遗憾的是，对比剂的使用导致射线的危害，因为敏感度和空间分辨率也依赖于CT暴露的时间和对比剂使用的数量。

4 小动物MRI

MRI依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，绘制出物体内部的结构图像。相对于CT，MRI具有无电离辐射性（放射线）损害、高度的软组织分辨能力，以及无需使用对比剂即可显示血管结构等的独特优点。对于核素和可见光成像，小动物MRI的优势是具有微米级的高分辨率及低毒性；在某些应用中，MRI能同时获得生理、分子和解剖学的信息，这些正是核医学、光学成像的弱点。对于小动物研究，小动物MRI是一个功能强大、多用途的成像系统，但是MRI的敏感性较低（微克分子水平），与核医学成像技术的纳克分子水平相比，低几个数量级，所以它不是最理想的成像系统。随着多模式平台的发展，如MRI/PET，可以从一个仪器中得到更全面的信息。

最近，动物MRI发展的焦点集中在新的增强对比因子，以增加敏感度和特异性。增强对比因子分为非特异性的、靶向性的和智能性的。非特异探针（如螯合钆）显示非特异的分散模式，用于测量组织灌注率和血管的渗透率；靶向探针（如钆标记的抗生物素蛋白和膜联蛋白顺磁性氧化铁颗粒）被设计成特异配体（如多肽和抗体），如近年研制的超小顺磁性氧化铁( USPIO)可用于标记癌细胞、造血细胞、于细胞、吞噬细胞和胰岛细胞等，在体外或体内标记后进行体内跟踪，了解正常细胞或癌细胞的生物学行为或转移、代谢的规律；膜联蛋白V顺磁性氧化铁颗粒被用来检测凋亡细胞，因为凋亡细胞磷脂酰丝氨酸暴露在细胞表面，导致与其有高特异性结合的膜联蛋白V( Annexin  V)的摄取增加。智能探针和靶向探针一样有一特异靶点，但不同的是在和特异配体作用以后，探针信号才改变，才可以被检测出。

目前，MRI分子影像图像仅仅局限于临床前期的动物研究中，MRI分子影像到真正的临床分子影像图像还有很远的距离，需要设计新的分子探针来适应临床诊断和治疗的需要。

5  小动物超声

超声基于声波在软组织传播而成像，由于其无辐射、操作简单、图像直观、价格便宜等优势，在临床上广泛应用。在小动物研究中，由于所达到组织深度的限制和成像的质量容易受到骨或软组织中空气的影响而产生假象，所以超声不像其他动物成像技术那样应用广泛，应用主要集中在生理结构易受外界影响的膀胱和血管，此外小动物超声在转基因动物的产前发育研究中有很大优势。

6 展望

    随着分子生物学及相关技术的发展，各种成像技术应用更广泛，成像系统要求能绝对定量、分辨率高、标准化、数字化、综合性，在系统中对分子活动敏感并与其他分子检测方式互相补偿及整合。与此同时，作为动物显像的技术平台，动物成像技术将在生命科学、医药研究中发挥着越来越重要的作用。 

编辑: cq

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