活体成像系统的原理|优势|应用

　　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

　　活体成像系统具有灵敏度高、直观、操作简单、能同时观测多个实验标本，无放射损害等优点，但也有其自身的缺陷，例如动物组织对光子吸收、空间分辨率较低等问题，因而活体成像系统仍需不断地完善和改进。

　　1、制作动物模型

　　根据实验需要通过尾静脉注射、皮下移植、原位移植等方法接种已标记的细胞或组织。在活体成像系统建模时应认真考虑实验目的和选择荧光标记，如标记荧光波长短，则穿透效率不高，建模时不宜接种深部脏器和观察体内转移，但可以观察皮下瘤和解剖后脏器直接成像。深部脏器和体内转移的观察大多选用荧光素酶标记。

　　2、活体成像

　　小鼠经过常规麻醉(气麻、针麻皆可)后放入成像暗箱平台，活体成像系统软件控制平台的升降到一个合适的视野，自动开启照明灯(明场)拍摄diyi次背景图。然后，自动关闭照明灯，在没有外界光源的条件下(暗场)拍摄由小鼠体内发出的特异光子。

　　明场与暗场的背景图叠加后可以直观的显示动物体内特异光子的部位和强度，完成成像操作。值得注意的是荧光成像应选择合适的激发和发射滤片，生物发光则需要成像前体内注射底物激发发光。

　　3、数据处理

　　小动物活体成像系统图像处理软件除了提供含有光子强度标尺的成像图片外，还能计算分析发光面积、总光子数、光子强度的相关参数供实验者参考。

　　4、实验影响因素

　　原则上，如预实验时拍摄出图片非特异性杂点多，需降低活体成像系统曝光时间;反之，如信号过弱可适当延长活体成像系统曝光时间。但曝光时间的延长，不仅增加了目的信号，对于背景噪音也存在一个放大效应。同一批实验应保持一致的曝光时间，同时还应保持标本相对位置和形态的一致，从而减少实验误差。

　　进行活体成像系统荧光成像时，实验者可选择背景荧光低不容易反光的黑纸放在动物标本身下，减少金属载物台的反射干扰。动物体内很多物质在受到激发光激发后，会发出荧光，产生的非特异性荧光会影响到检测灵敏度

　　活体成像系统是利用生物发光及荧光技术在活体动物体内进行生物标记，通过光学成像系统来监测被标记动物体内分子及细胞等的生物学过程。可以动态的监测整个活体内生物学事件的发生、发展。

　　活体成像系统主要采用生物发光与荧光2种技术在活体动物体内进行生物标记，通过成像系统来监测被标记动物体内分子及细胞等的发展进程，以及进行相关的生物、药物ZL研究。

　　目前，活体成像系统的主要手段包括结构成像(解剖成像)及功能成像(分子成像)。以光学成像、小动物正电子断层扫描、小动物单光子发射体层摄影术为代表的动物功能成像技术不但能即时反映活体动物体内的细胞分布及基因表达，还能动态观察活体动物体内分子生物学过程，活体光学成像与micro-CT、核磁共振成像、超声等结构成像手段结合，能为动物实验提供更客观的数据、更确切的分子生物特性。

　　1、活体肿瘤标记技术

　　绿色荧光蛋白(GFP)、β-半乳糖苷酶、萤火虫荧光素酶等是目前应用较广的活体成像系统生物标记。GFP受蓝、紫光照射可自发地发出绿色荧光，其信号强度高，易于被捕获，且GFP不需底物，对组织、细胞，故在肿瘤生长、药效评价和基因ZL等方面都得到了广泛应用。GFP的缺点在于发射波长较短，穿透力稍差，对显示深部肿瘤及微小病灶存在一定局限性。以β-半乳糖苷酶、萤火虫Luc标记的细胞较GFP更适合于深部组织肿瘤及远处转移微小病灶的研究。

　　2、标记抗肿瘤药物

　　肿瘤早期，当运用解剖成像方法尚无法检测到肿瘤病灶时，活体成像系统便可检测到肿瘤发光信号，灵敏度较高。此外，解剖成像不能区分活细胞与凋亡细胞，活体成像系统可检测到肿瘤活细胞信号，且不显示已经凋亡的肿瘤细胞信号。在抗肿瘤药物研究中，把标记过的抗肿瘤药物运用在活体动物体内，给予已接种肿瘤的小鼠以不同ZL方式、不同剂量、不同疗程的抗肿瘤药物。

　　利用

　　活体成像系统是在不损伤动物的前提下对其进行长期研究的技术。活体成像系统属于功能成像，如何能更好地与结构成像技术相结合，使实验结果不但能够定量，而且还能精确定位，这是活体成像系统今后的发展方向。

　　CT是利用组织密度的不同造成对X射线透过率不同，对活体成像系统一定厚度的层面进行扫描，并利用计算机重建三维图像的影像技术。小动物CT(微型CT)作为一种Zxin的活体成像系统，具有微米量级的空间分辨率(>9μm)并可以提供三维图像。

　　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15μm，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和使人为因素Z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。

　　diyi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，可实现更快地扫描整个动物(0.8s)，并可使用临床对比剂(造影剂)而且使灌注研究成为可能。这项活体成像系统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。

　　为使活体成像系统具有分子成像能力，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。

　　MRI是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，