生物光學成像

一張圖像即能夠包含大量的生物信息，無論在生物還是醫學研究領域，科學工作者都希望能獲得一張直觀、清晰的靜態或者動態的圖像，來分析細胞或生物體特定區域的特徵、狀態，甚至特定分子的表達、分布等信息。其中，生物光學成像由於其檢測儀器發展成熟、靈敏度高、對比度高、解析度高、成像直觀、成像速度快和無損探測等優點被廣泛套用。其在探尋疾病的發病機理、臨床表現、基因病變,了解相應的生理學和病理學信息,疾病診斷和新的醫療手段的開發等方面具有重要的實踐意義和套用前景。

生物光學成像（Optical Imaging）是指利用光學的探測手段結合光學探測分子對細胞或者組織甚至生物體進行成像，來獲得其中的生物學信息的方法。如果把生物光學成像限定在可見光和近紅外光範圍，依據探測方式的不同生物光學成像可分為螢光成像、生物發光成像、光聲成像、光學斷層層析成像等。

基本介紹

• 中文名：生物光學成像
• 外文名：Optical Imaging

套用發展歷史

生物光學成像具有很長的套用歷史，從二十世紀80年代後期就有一些研究者嘗試向生物體內注射外源性的螢光染料作為對比劑，通過非侵入的方式結合內窺實現光學測量，來分辨腫瘤的正常和病態區域。生物光學成像依賴於光學分子探針的發展，其里程碑式的套用是在1994年，Chalfie等實現了螢光蛋白的成功表達後。螢光蛋白是一種非常理想的活體標記分子，它無毒，不影響生物的功能，轉染後能在細胞內自行合成，因而非常適合活體標記。螢光蛋白被迅速套用於各種生物學研究中，特別是腫瘤的研究。幾名螢光蛋白的發現者和研究者，下村修(Osamu Shimomura)、馬丁·查爾菲(Martin Charfie)與錢永健(Roger Tsien)因此獲得了2008年的諾貝爾化學獎。

螢光素酶是另一類重要的套用於生物成像的生物發光物。1985年，Dewet J.R.等首次克隆了P.Pyralis的螢光素酶基因，並在大腸桿菌中表達，從中獲得了具有活性的螢光素酶。1986年他們又測定了螢光素酶基因的cDNA序列。隨後，各種螢光素酶基因相繼克隆成功，並能在原核和真核系統中表達。如今，活體生物發光成像被無創地用於定量檢測小鼠整體的原位瘤、轉移瘤及自發瘤。目前利用該生物成像技術已可以檢測到體內100個細胞的微轉移灶。螢光素酶已被廣泛套用到生化、醫學等多個學科，可對細胞和活體內的病毒、RNA等實現定量、實時、無創地觀測。

另外，隨著對光和生物組織之間相互作用的研究,20世紀90年代後期也出現了一種對生物組織光學特性參數(如吸收係數、散射係數等)進行成像的近紅外光學散射斷層成像技術,也稱為螢光介導分子層析成像(FMT).它能夠對組織內的螢光報告基團進行量化從而獲得高清晰度圖像,採用高靈敏度的體外探測器對被測物體進行多點測量和採集;

光學斷層層析成像（OCT）和光聲成像二者也是在上世紀九十年代出現的新型的生物光學成像技術，是近年來研究和套用相對較熱的兩種成像方式。二者在心血管疾病和癌症的早期診斷等方面已發揮了重要的作用。

值得注意的是，由於生物組織對光來說屬於高散射介質，在一定程度上限制了生物光學成像的套用。 隨著光學成像的發展，許多基於生物組織光學參數的成像重建算法也被研究和開發。但這些算法雖然取得了一定的研究成果,但仍存在局限性，對生物組織光學特性參數的重建精度並不理想，如何提高算法的收斂速度和重建精度仍是需要進一步探討的問題。迄今為止，套用於真實小動物體內生物發光的重建還未見報導,因此有待於更深入的探索和研究.

生物光學成像分類

螢光成像 Fluorescence imaging

螢光成像技術採用螢光報告基團,包括無機材料，如上轉換、量子點等，有機材料，如綠色螢光蛋白、紅色螢光蛋白,或螢光染料等進行標記。利用激發光使得報告基團達到較高的分子能級水平,然後發射出波長更長的可見光,形成體內生物光源,進行檢測。目前常用的螢光基團為各種小分子螢光染料、綠色螢光蛋白和紅色螢光蛋白等。近年來,螢光技術已在進行一些分子生物學以及小分子體內代謝研究中得到了廣泛的套用。

生物發光成像 Bioluminescence imaging

生物自發光是由生物體所產生的發光現象,所需的激發能量來自生物體內的酶促反應,是動物體內的自發螢光,不需要激發光源。催化此類反應的酶稱為螢光素酶。常用方法是構建螢光素酶基因的表達載體轉染目標細胞,並移植到受體的靶器官中,觀察時注入外源螢光素,目標細胞內即可發生反應產生螢光,然後再利用高敏感度活體生物光學成像系統即可實現對靶細胞或靶分子表達的實時監測。由於採用活體體內光學成像,該技術具有以下優點:①無創性。②可以連續重複檢測。③快速實時掃描成像。④敏感度高。⑤不良反應小。

常用的螢光素酶有兩類,一類來自甲蟲類動物,如螢火蟲螢光素酶,其底物是螢光素,激活後發出紅光,波長在550～610nm,更容易透過組織;另一類來自海底發光動物,如海腎螢光素酶或高細亞螢光素酶,其底物是腔腸素,激活後發出藍光,波長在480nm左右,在體內的代謝較快。由於腔腸素會引起非特異性發光,所以常使用螢火蟲螢光素酶。

光聲成像Photoacoustic imaging

光聲成像主要利用了組織光學吸收的差異和光聲的能量轉化，是近年來發展起來的一種無損醫學成像方法，它結合了純光學成像的高對比度特性和由光能轉化成的超聲的高穿透深度特性，可以提供高解析度和高對比度的組織成像。基於光聲效應的時域光聲譜技術將光學和聲學有機地結合起來,部分地克服了光在組織中傳輸時組織強散射效應的影響,因此光聲技術具有比近紅外技術更好的生物組織穿透性,同時還具有解析度高、無副作用等特點,並正逐步成為生物組織無損檢測技術領域的另一研究熱點。它主要的套用方向是人體組織成分檢測和組織層析成像光聲成像，能夠有效的進行生物組織結構和功能成像，為研究生物組織的形態結構，生理特徵，病理特徵，代謝功能等提供了重要的手段。

光學層析成像Optical Coherence tomography, OCT

由於在 600～1300nm 之間的近紅外"光學窗"範圍內, 生物組織的透光性能好,對光的吸收小,且近紅外技術能夠實現真正意義上的無損檢測,所以,近紅外技術成為目前生物無損檢測技術的研究重點。光學相干層析成像技術是一種利用光的穿透性，非侵入、非接觸微米級解析度的成像技術，利用光學相干門來獲得組織內部的層析結構。又可分為都卜勒OCT，偏振OCT 和光譜OCT等成像技術，在成像速度、信噪比和靈敏度等方面具有明顯優勢，在眼科成像、功能成像等領域發揮了重要作用。

生物成像光學系統

除了特殊的成像方式如光聲採用聲學接收的方式間接成像組織的光學特性外，一般的生物成像硬體系統主要有兩種方式實現：一種是光電倍增管掃描成像，如套用於共聚焦顯微鏡上的顯微掃描系統；另外一種是電荷耦合器件CCD成像，多套用於小動物成像、生物高光譜成像等系統。

發展前景

目前,活體生物成像系統還存在一些缺陷。許多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，在許多方面仍需進一步改進和完善. 尋找新的高量子效率螢光團，改進重建算法、拓展新型光學成像技術、提高圖像解析度是未來的重要任務。然而，當前活體生物光學成像技術已經實現了將分子及細胞生物學技術從體外研究發展到生物體內的跨越,為研究人員提供了廣闊的套用空間。該技術已成為細胞核小動物模型研究中不可缺少的工具,從獨特的角度研究疾病病理過程、藥物開發以及藥物療效。事實上,生物光學成像技術已經對基礎及套用醫學研究產生了重大影響。

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