活體成像技術(shù)主要是利用一套非常靈敏的光學(xué)檢測儀器，能夠直接監(jiān)控活體生物體內(nèi)的細(xì)胞活動和基因行為。通過這個系統(tǒng)，可以觀測活體動物體內(nèi)腫瘤的生長及轉(zhuǎn)移，感染性疾病發(fā)展過程、特定基因的表達(dá)等生物學(xué)過程。其優(yōu)點為較傳統(tǒng)屠宰動物相比，該技術(shù)能夠?qū)ν环N實驗對象在不同時間點進(jìn)行記錄，跟蹤同一觀察目標(biāo)（標(biāo)記細(xì)胞及基因）的移動及變化，所得的數(shù)據(jù)更加真實可信。目前主要采用生物發(fā)光（bioluminescence）與熒光（fluorescence）兩種技術(shù)。

1：技術(shù)原理

活體生物發(fā)光技術(shù)是指在小的哺乳動物體內(nèi)利用報告基因（如熒光素酶基因）表達(dá)所產(chǎn)生的熒光素酶蛋白與其小分子底物熒光素在氧、Mg²⁺離子存在的條件下消耗ATP發(fā)生氧化反應(yīng)，將部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化為可見光能釋放，然后在體外利用敏感的CCD設(shè)備形成圖像。熒光素酶報告基因質(zhì)?？梢员徊迦攵喾N基因的啟動子，成為某種基因的報告基因，通過檢測報告基因從而實現(xiàn)對目標(biāo)基因的監(jiān)測。

生物熒光其本質(zhì)為化學(xué)熒光，熒光素被熒光素酶氧化的過程中可以釋放波長廣泛的可見光光子，其波長范圍為460-630nm（平均波長為560nm）。在哺乳動物體內(nèi)血紅蛋白是吸收可見光的主要成分，能吸收藍(lán)綠光波段中的大部分可見光；水和脂質(zhì)主要吸收紅外線，但其均對波長為590-800nm的紅光近紅外線吸收能力較差，因此波長超過600nm的紅光雖然有部分散射消耗但大部分可以穿透哺乳動物組織被高靈敏的CCD檢測到。

2：應(yīng)用范圍

癌癥與抗癌藥物研究；免疫學(xué)與干細(xì)胞的研究；細(xì)胞凋亡；病理機(jī)制及病毒研究；基因表達(dá)和蛋白質(zhì)之間相互作用；轉(zhuǎn)基因動物模型構(gòu)建；藥效評估；藥物甄選與預(yù)臨床檢驗；藥物配方與劑量管理；腫瘤學(xué)應(yīng)用；生物光子學(xué)檢測；視頻監(jiān)督與環(huán)境監(jiān)督等。

1：腫瘤學(xué)

活體成像技術(shù)可以在近無創(chuàng)條件下對活體組織或小動物體內(nèi)的生物學(xué)行為進(jìn)行成像跟蹤，已被廣泛應(yīng)用于腫瘤研究中。

活體生物發(fā)光成像技術(shù)能夠讓研究人員能夠直接快速的測量各種癌癥模型中腫瘤的生長、轉(zhuǎn)移以及對藥物的反應(yīng)。其特點是*的靈敏度使微小的腫瘤病灶（少到幾百個細(xì)胞）也可以被檢測的到。比傳統(tǒng)的方法的檢測靈敏度大大提高，非常適合于腫瘤體內(nèi)生長的定量分析。避免殺老鼠而造成的組間差異，節(jié)省動物成本。由于以上特點，使基于轉(zhuǎn)移模型、原位模型、自發(fā)腫瘤模型等方面的腫瘤學(xué)研究得到發(fā)展。建立腫瘤轉(zhuǎn)移模型，可以觀察腫瘤轉(zhuǎn)移情況，進(jìn)一步探討腫瘤轉(zhuǎn)移的機(jī)制。

2：藥物研究

抗腫瘤藥物研究：

由于活體成像技術(shù)具有更高的靈敏度，故較傳統(tǒng)方法能夠更地對早期瘤塊細(xì)胞進(jìn)行檢測。同時，該技術(shù)檢測到的細(xì)胞僅為活細(xì)胞。綜上，該技術(shù)能夠更早更靈敏的發(fā)現(xiàn)藥物的療效。

通過給予腫瘤接種的小鼠不同劑量，不同給藥時間，不同給藥途徑，觀察抗腫瘤藥物的*給藥途徑，給藥劑量及時間，從而制定合適的劑型與服藥時間。

藥物代謝相關(guān)研究：

標(biāo)記與藥物代謝有關(guān)的基因，研究不同藥物對該基因表達(dá)的影響，從而可間接知道相關(guān)藥物在體內(nèi)代謝的情況。在藥劑學(xué)研究方面，可通過把熒光素酶報告基因質(zhì)粒直接裝在在載體中，觀察藥物載體的靶向臟器與體內(nèi)分布規(guī)律。在藥理學(xué)方面，用熒光素酶基因標(biāo)記目的基因，觀察藥物作用的通路。

3：細(xì)胞標(biāo)記

免疫細(xì)胞研究：標(biāo)記免疫細(xì)胞，觀察免疫細(xì)胞對腫瘤細(xì)胞的識別和殺死功能，評價免疫細(xì)胞的免疫特異性、增殖、遷移等功能。

干細(xì)胞研究：a:標(biāo)記組成性表達(dá)的基因，在轉(zhuǎn)基因動物水平，標(biāo)記干細(xì)胞，若將干細(xì)胞移植到另外動物體內(nèi)，可用活體生物發(fā)光成像技術(shù)示蹤干細(xì)胞在體內(nèi)的增殖、分化及遷移的過程。b：用慢病毒直接標(biāo)記細(xì)胞后，移植到體內(nèi)觀測其增殖、分化及遷移過程，研究其修復(fù)、治療損傷或缺陷部分的效果，進(jìn)一步探討其機(jī)制。

4：基因表達(dá)與基因功能的研究

將熒光素酶基因插入到目的基因啟動子的下游，并穩(wěn)定整合于實驗動物染色體中，形成轉(zhuǎn)基因動物模型。該方式可實現(xiàn)目的基因與熒光素酶的表達(dá)平行，從而可直接觀察目的基因的表達(dá)模式，包括數(shù)量、時間、部位及影響其表達(dá)和功能的因素。

5：細(xì)胞凋亡

用分子生物學(xué)方法在熒光酶的兩端連接上抑制發(fā)光的蛋白（如激素酶），但在其連接處加上caspase，細(xì)胞發(fā)生凋亡時，表達(dá)caspase，切開抑制熒光酶發(fā)光的蛋白，使熒光素酶開始發(fā)光。

3：應(yīng)用前景

活體成像技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)將分子生物學(xué)技術(shù)從體外研究轉(zhuǎn)移到動物體內(nèi)研究。因該技術(shù)能夠觀測活體動物內(nèi)的基因表達(dá)和細(xì)胞活動，并且該技術(shù)具有檢測靈敏度高，操作簡單等優(yōu)勢，正在越來越廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)及生物學(xué)研究領(lǐng)域。

FAQ

（1）生物發(fā)光與熒光技術(shù)的比較

（2）如何能檢測到體內(nèi)發(fā)出的可見光？

答：兩個主要的原因能夠保證可見光成像技術(shù)能夠檢測到體內(nèi)發(fā)出的微弱的可見光。a：高靈敏度的制冷CCD鏡頭，可達(dá)到零下-105℃，體內(nèi)發(fā)出的非常少的光子也能檢測得到。b：密封的暗箱裝置，可以屏蔽包括射線在內(nèi)的所有光線。

（3）大鼠可否用作活體成像實驗？

答：成體老鼠和裸鼠，幼鼠及胚胎的區(qū)別只在于對可見光的穿透性不同，可見光的穿透能力在3-4cm之間，所以大鼠也可以作為活體成像的動物，關(guān)于大鼠活體成像已有很多文章發(fā)表。

（4）CCD鏡頭的低溫會不會對小動物產(chǎn)生影響？

答：不會的，低溫的范圍只局限于CCD鏡頭的小范圍內(nèi)，其他范圍內(nèi)都是室溫。

（5）使用麻醉劑麻醉動物有什么優(yōu)勢？

答：麻醉機(jī)麻醉系統(tǒng)相對于腹腔注射對于小鼠的麻醉在時間和精度上的控制更準(zhǔn)確，使用也更加方便。

（6）用熒光素進(jìn)行活體成像與綠色熒光蛋白檢測體內(nèi)發(fā)光相比優(yōu)勢何在？

答：熒光素酶的偏紅光比綠色熒光蛋白的綠光在體內(nèi)的穿透性要強近100倍。熒光素是靠和熒光素酶的相互作用發(fā)光，特異性很強，得到的信噪比較高；熒光蛋白需要激發(fā)光來產(chǎn)生反射光，但是在檢測的過程中，老鼠的皮毛，皮膚都會產(chǎn)生非特異性熒光，使得信噪比降低。熒光蛋白檢測更適合于體外檢測，熒光素酶的檢測更適合于體內(nèi)檢測。

（7）與傳統(tǒng)技術(shù)相比，生物發(fā)光成像技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在哪些方面？

答：與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該技術(shù)對于腫瘤轉(zhuǎn)移的研究、基因治療、流行病學(xué)的發(fā)病學(xué)研究，干細(xì)胞示蹤，白血病的相關(guān)研究等方面，用該技術(shù)進(jìn)行腫瘤的藥效研究，比傳統(tǒng)方法更靈敏，還可以通過一系列轉(zhuǎn)基因動物疾病模型，來快速直觀的進(jìn)行相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)理和藥物篩選研究。

（8）如何用熒光素酶基因標(biāo)記干細(xì)胞嗎？

答：可標(biāo)記組成性表達(dá)的基因，做成轉(zhuǎn)基因小鼠，干細(xì)胞就被標(biāo)記了，從此小鼠的骨髓取出造血干細(xì)胞，移植到另外一只小鼠的骨髓內(nèi)，可以用該技術(shù)示蹤造血干細(xì)胞在體內(nèi)的增殖和分化及遷徙到全身的過程。另外一種方法是用慢病毒標(biāo)記神經(jīng)干細(xì)胞。

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