活體成像技術主要是利用一套非常靈敏的光學檢測儀器，能夠直接監(jiān)控活體生物體內的細胞活動和基因行為。通過這個系統(tǒng)，可以觀測活體動物體內腫瘤的生長及轉移，感染性疾病發(fā)展過程、特定基因的表達等生物學過程。其優(yōu)點為較傳統(tǒng)屠宰動物相比，該技術能夠對同一種實驗對象在不同時間點進行記錄，跟蹤同一觀察目標（標記細胞及基因）的移動及變化，所得的數據更加真實可信。目前主要采用生物發(fā)光（bioluminescence）與熒光（fluorescence）兩種技術。

1：技術原理

活體生物發(fā)光技術是指在小的哺乳動物體內利用報告基因（如熒光素酶基因）表達所產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，將部分化學能轉化為可見光能釋放，然后在體外利用敏感的CCD設備形成圖像。熒光素酶報告基因質?？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對目標基因的監(jiān)測。

生物熒光其本質為化學熒光，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）。在哺乳動物體內血紅蛋白是吸收可見光的主要成分，能吸收藍綠光波段中的大部分可見光；水和脂質主要吸收紅外線，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：應用范圍

癌癥與抗癌藥物研究；免疫學與干細胞的研究；細胞凋亡；病理機制及病毒研究；基因表達和蛋白質之間相互作用；轉基因動物模型構建；藥效評估；藥物甄選與預臨床檢驗；藥物配方與劑量管理；腫瘤學應用；生物光子學檢測；視頻監(jiān)督與環(huán)境監(jiān)督等。

1：腫瘤學

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

活體生物發(fā)光成像技術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、轉移以及對藥物的反應。其特點是*的靈敏度使微小的腫瘤病灶（少到幾百個細胞）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，使基于轉移模型、原位模型、自發(fā)腫瘤模型等方面的腫瘤學研究得到發(fā)展。建立腫瘤轉移模型，可以觀察腫瘤轉移情況，進一步探討腫瘤轉移的機制。

2：藥物研究

抗腫瘤藥物研究：

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

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。

藥物代謝相關研究：

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

3：細胞標記

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

干細胞研究：a:標記組成性表達的基因，在轉基因動物水平，標記干細胞，若將干細胞移植到另外動物體內，可用活體生物發(fā)光成像技術示蹤干細胞在體內的增殖、分化及遷移的過程。b：用慢病毒直接標記細胞后，移植到體內觀測其增殖、分化及遷移過程，研究其修復、治療損傷或缺陷部分的效果，進一步探討其機制。

4：基因表達與基因功能的研究

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，形成轉基因動物模型。該方式可實現目的基因與熒光素酶的表達平行，從而可直接觀察目的基因的表達模式，包括數量、時間、部位及影響其表達和功能的因素。

5：細胞凋亡

用分子生物學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，細胞發(fā)生凋亡時，表達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：應用前景

活體成像技術能夠實現將分子生物學技術從體外研究轉移到動物體內研究。因該技術能夠觀測活體動物內的基因表達和細胞活動，并且該技術具有檢測靈敏度高，操作簡單等優(yōu)勢，正在越來越廣泛地應用于醫(yī)學及生物學研究領域。

FAQ

（1）生物發(fā)光與熒光技術的比較

（2）如何能檢測到體內發(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能夠檢測到體內發(fā)出的微弱的可見光。a：高靈敏度的制冷CCD鏡頭，可達到零下-105℃，體內發(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生影響？

答：不會的，低溫的范圍只局限于CCD鏡頭的小范圍內，其他范圍內都是室溫。

（5）使用麻醉劑麻醉動物有什么優(yōu)勢？

答：麻醉機麻醉系統(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確，使用也更加方便。

（6）用熒光素進行活體成像與綠色熒光蛋白檢測體內發(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)光來產生反射光，但是在檢測的過程中，老鼠的皮毛，皮膚都會產生非特異性熒光，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檢測。

（7）與傳統(tǒng)技術相比，生物發(fā)光成像技術優(yōu)勢體現在哪些方面？

答：與傳統(tǒng)技術相比，該技術對于腫瘤轉移的研究、基因治療、流行病學的發(fā)病學研究，干細胞示蹤，白血病的相關研究等方面，用該技術進行腫瘤的藥效研究，比傳統(tǒng)方法更靈敏，還可以通過一系列轉基因動物疾病模型，來快速直觀的進行相關疾病的發(fā)病機理和藥物篩選研究。

（8）如何用熒光素酶基因標記干細胞嗎？

答：可標記組成性表達的基因，做成轉基因小鼠，干細胞就被標記了，從此小鼠的骨髓取出造血干細胞，移植到另外一只小鼠的骨髓內，可以用該技術示蹤造血干細胞在體內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記神經干細胞。

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