活体成像系统的原理

　　活体成像系统指应用影像学方法，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设备。动物活体成像主要分为光学成像、核素成像、核磁共振成像、计算机断层摄影(CT)成像和超声成像五大类。

活体成像技术

　　活体成像系统成像原理包括生物发光与荧光两种技术。

　　生物发光是用荧光素酶基因标记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。前者是动物体内的自发荧光，不需要激发光源，而后者则需要外界激发光源的激发。

活体成像系统荧光发光成像原理

　　活体成像系统荧光成像的标记对象较为广泛，可以是动物、细胞、微生物、基因，也可以是抗体、药物、纳米材料等。常用的有绿色荧光蛋白、红色荧光蛋白及其它荧光报告基团，标记方法与体外荧光成像相似，活体成像系统荧光成像具有费用低廉和操作简单等优点。和生物发光在动物体内的穿透性相似，红光的穿透性在体内比蓝绿光的穿透性效率高，近红外荧光为成像观察的Z佳选择。

　　荧光信号远远强于生物发光，但非特异性荧光产生的背景噪音使其信噪比远远低于生物发光。虽然可以采用不同的技术分离背景光，但是受到荧光特性的限制，很难完全消除背景噪音。这些背景噪音造成活体成像系统的灵敏度较低。

　　活体成像系统荧光成像有其方便，直观，标记靶点多样和易于被大多数研究人员接受的优点，在一些植物分子生物学研究和观察小分子体内代谢方面也得到应用。例如利用绿色荧光蛋白和荧光素酶对细胞或动物进行双重标记，用成熟的荧光成像技术进行体外检测，进行分子生物学和细胞生物学研究，然后利用生物发光技术进行动物体内检测，进行活体动物体内研究。

　　荧光发光是通过激发光激发荧光基团到达高能量状态，而后产SF射光。考虑到不同荧光物质的发射光谱EX和激发光谱EM的不同，要选择对应的激发和发射滤片。

活体成像系统生物发光成像原理

　　活体成像系统生物发光成像是指在小的哺乳动物体内利用报告基因-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，将部分化学能转变为可见光能释放。然后在体外利用敏感的CCD设备形成图像。荧光素酶基因可以被插入多种基因的启动子，成为某种基因的报告基因，通过监测报告基因从而实现对目标基因的监测。

　　生物发光实质是一种化学荧光，萤火虫荧光素酶在氧化其特有底物荧光素的过程中可以释放波长广泛的可见光光子，其平均波长为560nm(460～630nm)，这其中包括重要的波长超过600nm的红光成分。在哺乳动物体内血红蛋白是吸收可见光的主要成分，能吸收中蓝绿光波段的大部分可见光;水和脂质主要吸收红外线，但其均对波长为590-800nm的红光至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。

　　活体成像系统生物发光成像的优点是：可以非侵入性，实时连续动态监测体内的各种生物学过程，从而可以减少实验动物数量，及降低个体间差异的影响;由于背景噪声低，所以具有较高的敏感性;不需要外源性激发光，避免对体内正常细胞造成损伤，有利于长期观察;此外还有无放射性等其他优点。

　　活体成像系统生物发光也有自身的不足之处：例如波长依赖性的组织穿透能力，光在哺乳动物组织内传播时会被散射和吸收，光子遇到细胞膜和细胞质时会发生折射，而且不同类型的细胞和组织吸收光子的特性也不尽相同，其中血红蛋白是吸收光子的主要物质;由于是在体外检测体内发出的信号，因而受到体内发光源位置及深度影响;另外还需要外源性提供各种荧光素酶的底物，且底物在体内的分布与药动力学也会影响信号的产生;由于荧光素酶催化的生化反应需要氧气、镁离子及ATP等物质的参与，受到体内环境状态的影响。