体内可见光成像技术用于干细胞研究

王俊1, 张怡2, 赵春林1 1
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导言
干细胞在肿瘤治疗、组织工程和细胞治疗等方面拥有巨大的潜力。如果在活体动物体内，在各种组织和器官都保持完整的情况下能够观察干细胞的行为和生物学特性，则会大力促进基于干细胞的各种疾病治疗方法的研究工作。目前已对多种干细胞进行了大量的研究，动物模型研究方法也很多，但典型的方法还是在移植后的几星期或几个月，通过解剖实验动物以了解干细胞的功能。但采用这种研究方式，就无法得到移植后一些关键性的实验数据，例如，移植后的前几个小时到几天时间造血干细胞在脾和骨髓的定位和增值情况；移植后造血干细胞在动物体内的迁移情况等。体内可见光成像技术，主要是生物发光成像（in vivo bioluminescence Imaging，BLI)技术作为一种新型成像技术，在最近几年已被广泛应用于在多种动物模型中示踪肿瘤细胞、造血干细胞，淋巴细胞，病原菌和病毒。本节简要介绍体内可见光成像技术成像原理，成像系统使用方法和在干细胞研究方面的应用。

一，体内可见光成像技术成像原理
体内可见光成像技术是采用荧光素酶（luciferase)基因（Luc）标记细胞和基因，利用一套非常灵敏的光学检测 仪器 ，让研究人员能够直接监控活体生物体内的细胞活动和基因行为。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，体内可见光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，所得的数据也更加真实可信。另外, 这一技术由于不涉及放射性物质，具有操作简单，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。
1. 细胞标记
1995年，Contag首次在小动物体内检测到带有lux操纵子的病原菌发出的可见光。他是通过CCD相机捕捉到这个被感染动物的生物发光现象的。在1997年，他又首次观察到表达荧光素酶的转基因小鼠在注入荧光素酶底物后的生物发光现象[1]。自此，细菌及萤火虫荧光素酶被广泛应用于小动物体内可见光成像技术。
哺乳动物生物发光，是将Luc基因整合到细胞染色体DNA上以表达荧光素酶，当外源（腹腔或静脉注射）给予其底物荧光素(luciferin)，即可在几分钟内产生发光现象。这种酶在ATP，氧存在的条件下，催化荧光素的氧化反应才可以发光，因此只有在活细胞内才会产生发光现象，并且发光光强度与标记细胞的数目线性相关。对于细菌，lux操纵子由编码荧光素酶的基因和编码荧光素酶底物合成酶的基因组成，带有这种操纵子的细菌
会持续发光，不需要外源性底物（见图1）。

图1 可见光成像原理。将荧光素酶基因连接于启动子下游，稳定整合到细胞染色体内，使荧光素酶得到持续表
达。在体内，荧光素酶在ATP、氧气存在的条件下，与外源注入的特异底物反应产生发光现象。因此仅在活细胞内才会出现荧光，且发光强度与标记细胞数目线性相关。