在體生物光學成像技術

在體生物發光成像和在體螢光成像是近年來新興的在體生物光學成像技術, 能夠無損實時動態監測被標記細胞在活體小動物體內的活動及反應, 在腫瘤檢測、 基因表達、 蛋 白質分子檢測、 藥物受體定位、 藥物篩選和藥物療效評價等方面具有很大的套用潛力。

基本介紹

• 中文名：在體生物光學成像技術
• 外文名：In vivo optical imaging
• 專業：光學成像技術

背景引言

隨著螢光標記技術和光學成像技術的發展, 在體生物光學成像（In vivo optical imaging）已經發展 為一項嶄 新的分子、基因表達的分析檢測技術，在生命科學、 醫學研究及藥物研發等領域得到廣泛套用, 主要分為在體生物發光成像（Bioluminescence imaging，BLI） , 和在體螢光成像（Fluorescence imaging）兩種成像方式。 在體生物發光成像採用螢光素酶基因標記細胞或DNA, 在體螢光成像則採用螢光報告基團, 如綠色螢光蛋白, 、 紅色螢光蛋白等進行標記， 利用靈敏的光學檢測儀器, 如電荷耦合攝像機 （CCD）, ,觀測活體動物體內疾病的發生髮展、 腫瘤的生長及轉移、 基因的表達及反應等生物學過程, 從而監測活體生物體內的細胞活動和基因行為。

技術簡介

1995年，Contag首次在活體哺乳動物體內檢測到Lux操縱子（由螢光素酶基因和其底物合成酶基因組成）的病原菌, 在不需要外源性底物的情況下, 發出持續的可見光，1997 年, 他又觀察到表達Fluc基因的轉基因小鼠, 注入底物螢光素後, 螢光素酶蛋白與螢光素在氧、Mg離子存在的條件下消耗ATP發生氧化反應, 將部分化學能轉變為可見光能釋放， 由於這種生物發光現象只有在活細胞內才會發生, 而且發光強度與標記細胞的數目成正比, 因此己被廣泛套用於在體生物光學成像的研究中。

螢光素酶的每個催化反應只產生一個光 子, 通常肉眼無法直接觀察到, 而且光子在強散射性的生物組織中傳輸時, 將會發生吸收、 散射、 反射、 透射等大量光學行為 。 因此，必須採用高靈敏度的光學檢測儀器（ 如CCD camera）採集並定量檢測生物體內所發射的光子數量, 然後將其轉換成圖像， 在體生物發光成像中的發光光譜範圍通常為可見光到近紅外光波段, 哺乳動物體內血紅蛋白主要吸收可見光, 水和脂質主要吸收紅外線, 但對波長為 590~1500nm的紅光至近紅外線吸收能力則較差， 因此, 大部分波長超過600nm的紅光, 經過散射、吸收後能夠穿透哺乳動物組織, 被生物體外的高靈敏光學檢測儀器探測到, 這是在體生物發光成像的理論基礎

成像分類

根據成像方式的不同, 在體生物發光成像主要有生物發光成像,和生物發光斷層成像兩種。其中,BLI 的輸出是二維圖像, 即生物體外探測器上採集的光學信號，其原理簡單、 使用方便快捷, 適用於定性分析及簡單的定量計算, 但無法獲得生物體內發光光源的深度信息, 難以實現光源的準確定位。 而IVIS成像系統則利用 多個生物體外探測器上採集的光學信號, 根據斷層成像的原理, 採用特定的反演算法 ，得到活體小動物體 內發光光源的精確位置信息。目前, BLT的光源定位和生物組織光學特性參數的反演問題 已經成為國內外在體生物光學成像研究的重點和難點之一, 但還僅限於實驗室研究階段, 沒有達到臨床實驗的階段, 所 以尚未有成熟的成像系統.

成像原理

在體生物 發光成像不需要外部光源激發, 自發螢光少，而在體螢光成像需要特定波長的外部激發光源激發, 自發螢光較多, 故前者比後者靈敏度更高, 兩者的成像原理圖如圖1所示。

圖1 在體生物光學成像原理圖

University of Iowa 的 Bioluminescence Tomography Laboratory的在體生物發光斷層成像原型系統, 主要由 CCD相機、 固定小動物的支架、 控制裝置 （使支架水平運動、 垂直運動或旋轉） 、完全密閉的不透光的成像暗箱等組成。將小動物麻醉後固定在支架上, 並置於成像暗箱中, 由控制裝置帶動支架沿水平方向運動、 垂直方向運動或旋轉, 利用相機從多個不同角度和位置對活體小動物的生物發光現象進行投影成像 然後將採集到的數據信息傳輸到計算機中, 並採用特定的圖像重建算法定位動物體內的發光光源, 得到活體動物體內發光光源的精確位置信息。

成像系統

Xenogen公司生產的IVIS成像系統是典型的在體螢光成像系統, 主要CCD 相機、 成像暗箱、雷射器、 激發和發射濾光片、 恆溫台、 氣體麻醉系統、數據採集的計算機、 數據處理軟體等組成。將小動物放置到成像暗箱中, 利用高性能的製冷對活體小動物某個特定位置的發光進行投影成像, 探測從小動物體內器官發射出的低水平螢光信號, 然後將得到的投影圖像與小動物的普通圖像進行疊加, 從而實現對小動物某個特定位置 的生物螢光進行量化, 井且可以重複進行。

圖2 通過IVIS系統觀察小鼠腫瘤生長情況

技術套用

作為一項新興的分子、 基因表達 的分析檢測技術, 在體生物光學成像已成功套用於生命科學、 生物醫學、 分子生物學和藥物研發等領域, 取得了大量研究成果, 主要包括：在體監測腫瘤的生長和轉移、 基因治療中的基因表達、 機體的生理病理改變過程 以及進行藥物的篩選和評價等

在體監測腫瘤的生長和轉移

利用在體生物光學成像技術, 通過螢光素酶或綠色螢光蛋白標記腫瘤細胞, 可以實時監測被標記腫瘤細胞在生物體內生長、轉移、 對藥物的反應等生理和病理活動, 揭示腫瘤發生髮展的細胞和分子機制。

在體監測基因治療中的基因表達

隨著後基因組時代的到來和人們對疾病發生髮展機制的深入了解, 在基因水平上治療腫瘤、 心血管疾病、 和分子遺傳病等惡性疾病已經得到國內外研究人員越來越 廣泛的關注。如何客觀地檢測基因治療的臨床療效判斷終點, 有效監測轉基因在生物體內的傳送, 並定量檢測基因治療的轉基因表達, 己經成為基因治療套用的關鍵所在 。通過螢光素酶或綠色螢光蛋白等報告基因, 在體生物光學成像技術能夠進行基因表達的準確定位和定量分析, 在整體水平上無創、 實時、 定量地檢測轉基因的時空表達。

在體監測機體的生理病理改變過程

目前, 在體生物光學成像技術己成功套用於幹細胞移植、 腫瘤免疫、 毒血症、 風濕性關節炎、 皮炎等發病機制的研究中, 可以實時監測生物機體的生理、病理改變過程, 具有重要的臨床意義。

藥物的篩選和評價

目前 , 轉基因動物模型己大量套用於病理研究、藥物研發、 藥物篩選和藥物評價等領域。通過體外基因轉染或直接注射等手段, 將螢光素酶或綠色螢光蛋 自等報告基因標記在生物體內的任何細胞， 如：腫瘤細胞、 造血細胞等上, 採用在體生物光學成像技術對其示蹤, 了解細胞在生物體內的轉移規律,不僅能夠檢測轉基因動物體 內的基因表達或內源性基因的活性和功能, 而且能夠對藥物篩選及療效進行評價

技術展望

目前, 在體生物光學成像還僅僅停留在仿體和小動物實驗階段, 尚未進入臨床套用。初步研究表明, 在體生物光學成像可達約10cm的測量深度,近紅外螢光能夠穿透12cm的乳腺或肺組織、6cm的肌肉組織5cm的成人腦組織 , 因此在體生物光學成像具有巨大的臨床套用潛力。