活体荧光成像系统（图）

一、 技术简介

活体生物荧光成像技术（in vivo bioluminescence imaging）是近年来发展起来的一项分子、基因表达的分析检测系统。它由敏感的CCD及其分析软件和作为报告子的荧光素酶（luciferase）以及荧光素（luciferin）组成。利用灵敏的检测方法，让研究人员能够直接监控活体生物体内肿瘤的生长及转移、感染性疾病发展过程、特定基因的表达等生物学过程。

传统的动物实验方法需要在不同的时间点宰杀实验动物以获得数据， 得到多个时间点的实验结果。相比之下，可见光体内成像通过对同一组实验对象在不同时间点进行记录，跟踪同一观察目标（标记细胞及基因）的移动及变化，所得的数据更加真实可信。因其操作极其简单、所得结果直观、灵敏度高等特点， 在刚刚发展起来的几年时间内，已广泛应用于生命科学、医学研究及药物开发等方面。

二、 原理

活体生物荧光成像技术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（promoter），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。

生物荧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敏感的CCD camera检测到。

三、技术优势

1．无创伤性；

2．可多次重复在不同时间点检测；

3．快速扫描成像（时间少于5 min）；

4．可以使实验动物整体成像

5．同一实验动物体内获得全部时间点的整体数据，用极少的实验动物而迅速获得更全面的数据，大大地节省了时间及经费，减少了不同实验动物之间的个体差异。

四、应用

1． 在肿瘤方面的应用

它可以快速的测量各种癌症模型中肿瘤的生长，并可对癌症治疗中癌细胞的变化进行实时观测评估；可以无创伤地定量检测小鼠整体的原位瘤、转移瘤及自发瘤。如Hollingshead等利用人类胶质瘤细胞系U251构建U251-HRE细胞，其中的荧光素酶基因表达受可诱导启动子的操控，低氧状态为其诱导条件，因此在细胞处于低氧状态下荧光素酶基因开始表达。将此肿瘤细胞sc于裸鼠体内，肿瘤增殖早期并无明显荧光素酶表达，当肿瘤达到了300～500mg时，局部组织出现低氧状态，此时可监测到荧光素酶显著表达。这种方法不仅仅监测肿瘤本身，更重要的是可以监测肿瘤细胞所处的微环境。

2． 在监测感染和炎症方面的应用

荧光素酶基因标记病毒和细菌，利用活体生物荧光成像技术可以检测到，并能连续观察其对机体的侵染过程以及抗病毒药物和抗生素对其病理过程的影响。如Contag et等用细菌荧光素酶标靶沙门菌，并用活体生物荧光成像追踪细菌感染。

3． 活体生物荧光成像技术和细胞示踪

活体生物荧光成像技术还可应用到免疫细胞、干细胞、细胞凋亡等研究领域。如Costa等通过活体生物荧光成像可以追踪到T淋巴细胞聚集于中枢神经系统。

五、生产厂家

1．美国KODAKImage Station In-Vivo FX多功能活体成像系统

1．1简介：该系统采用了Kodak公司科研级的超高灵敏度4百万象素冷CCD，高安全标准的X-光模块，以及专利的放射性同位素磷屏等技术，实现了化学发光、全波长范围荧光、放射性同位素以及X-光等的多功能检测功能。友好的动物样品室的设计方便了活体动物标本的成像操作，是目前市场上最适合与做活体成像研究的强力工具。

1．2技术参数

2048×2048像素、16位制冷CCD相机
　　可控强度X-光模块
　　外置150瓦高强度卤钨灯光源
　　5位置激发光滤光片轮，标配4个可选波长激发光滤光片
　　4位置发射光滤光片轮，标配4个可选波长发射光滤光片
　　X-光磷屏
　　放射性同位素磷屏
　　动物样品室
　　Kodak MI分子成像分析软件（3用户）
　　一年免费维修服务。

2．美国精诺真（Xengon）活体动物体内成像系统

技术优势：
　　a） 高灵敏度：精诺真活体成像技术可检测到实验动物体内少至几百个细胞的肿瘤病灶. 目前采用的其它检测方法的检测极限是直径1mm左右的肿瘤，大约由10的6次方或10的7次方个细胞组成。精诺真活体成像技术与传统技术相比，灵敏度提高了几千倍。
　　b） 高通量：不再需要处死小鼠，解剖，染色，病理分析等实验过程。精诺真成像系统操作简单，任何一个实验室人员都可使用。一天时间就可以检测几百只实验动物，立刻得到实验数据，使制药企业进行大规模， 高通量动物研究成为现实。
　　c） 定量结果：实验结果以靶细胞单位时间内发射光子数的绝对量表示，它与标记的靶细胞数量或基因表达情况直接线性相关。利用精诺真活体成像技术可以精确地定量分析药效，药理，及毒理结果。
　　d） 自身对照：利用在不同的时间点观察同一只动物得到的实验结果，可以更好地了解疾病病理，药物动力学及发生在活体动物体内的其它生物学和药理过程。高效率的药物筛选模型使研究人员能在动物试验阶段收集更多的数据。通过增加实验数据的时间过程，精诺真技术能够更加准确和定量地检测出药物与正常或病理过程之间的关系。
　　e） 动物疾病模型：利用可发光转基因动物技术，精诺真公司构建和提供各种肿瘤，药理和毒理研究，代谢，内分泌，过敏性，免疫性疾病，以及其它多种疾病的动物模型。这些动物模型已被国际制药公司和生物技术公司广泛应用于药物的研发和报批过程中。2005年4月的自然杂志（Nature Review）还专门对此技术的应用进行了详细的评述。
　　f） 成熟和普遍认可的技术：利用精诺真体内成像技术，在欧美已有几百篇发表在高级别杂志上的文章。大部分的制药企业已利用这项技术进行药物开发，在对FDA的新药申报和FDA药物批准文件中采用这种技术作为动物研究的主要手段。包括Novartis，Pfizer，Merck，Bayer，BMS，Chiron，Biogen，and GSK，等等。

六、前景

活体动物荧光成像技术让研究人员能够观察活体动物体内的基因表达和细胞活动，是将分子及细胞生物学技术从体外研究发展到活体动物体内的强有力手段，正在被越来越广泛地应用于医学及生物学研究领域。由于其检测灵敏度极高，且操作简单，费用相对低廉，因此在生物科学研究领域有着广阔的应用空间。