生物光學標記（bio-optical marker）是指用具有光學特徵的標記物標記生物分子，從而達到檢測、識別的目的。根據套用的光學特徵不同通常可分為螢光分子標記、螢光蛋白標記、生物發游標記、化學發游標記等。從標記目的來分則包括生物分子標記、生化標記、細胞學標記、形態學標記等。
基本介紹
- 中文名：生物光學標記
- 外文名：Bio-optical marker
概述,研究套用歷史,生物光學標記種類及套用,螢光分子/納米粒子標記Fluorescent molecular/nanoparticle marker,生物發游標記 Bioluminescence marker,螢光蛋白標記 Fluorescent protein marker,化學發游標記 Chemiluminescence marker,發展前景,延伸閱讀,
概述
生命分子檢測、生命過程觀測、特定生物組織識別，由於其微觀、隱蔽通常難以直接觀測到，甚至也超出了儀器的檢測範圍，因此必須在生物分子或細胞、組織上作特定的生物標記，使其能夠‘脫穎而出’，再藉助於相應的儀器實現檢測。
在特定生物分子、細胞或組織上標記目前檢測手段可探測感知的分子、納米粒子，然後通過檢測該分子/粒子的數量、分布等來獲取特定分子、細胞或組織的特徵，進而獲得某一區域以及細胞或生物體內分子、生化及生理指標的反應及其信號。這個標記過程通常稱為生物標記（Biomarker）。生物光學標記（bio-optical marker）則是指用具有光學特徵的標記物標記生物分子，從而達到檢測、識別的目的。根據套用的光學特徵不同通常可分為螢光分子標記、螢光蛋白標記、生物發游標記、化學發游標記等。從標記目的來分則包括生物分子標記、生化標記、細胞學標記、形態學標記等。
生物光學標記，因為採用了光學的方式，藉助於發展成熟的光學高靈敏檢測儀器可以實現高對比度、高解析度、高靈敏、高信噪比、方便快捷的檢測，在生物標記發展之初就被選作為主要的生物標記方式。特別是螢光蛋白被發現之後，生物光學標記更是獲得了突飛猛進的套用發展。下村修(Osamu Shimomura)、馬丁·查爾菲(Martin Charfie)與錢永健(Roger Tsien) 也正是因為發現和研究了綠色螢光蛋白獲得了2008年的諾貝爾化學獎。 生物光學標記現已在生命科學和醫學研究中被廣泛用作示蹤物。
研究套用歷史
在生物學研究中，科學家們常常利用能發射螢光的螢光分子來作為生物標記。將這種螢光分子通過化學方法掛在其他不可見的分子上，原來不可見的部分就變得可見了。生物學家一直利用這種標記方法，把原本透明的細胞或細胞器從黑暗的顯微鏡視場中“揪出來”。
傳統的螢光分子在發光的同時，會產生具有毒性的氧自由基，導致被觀察的細胞死亡，這叫做“光毒性”，因此，在綠色螢光蛋白發現以前，科學家們只能通過螢光標記來研究死亡細胞靜態結構，或者不得不暫時忽略其毒性影響，只在短時間觀測活細胞，而螢光蛋白的光毒性非常弱，非常適合用於標記各種活細胞。
螢光蛋白最初在1962年於一種學名Aequorea victoria的水母中發現。其基因所產生的蛋白質，在藍色波長光線的激發下，會發出綠色螢光。這個發光的過程中還需要發光蛋白Aequorin的幫助，且這個蛋白質還需要與鈣離子(Ca)產生互動作用。
綠色螢光蛋白的光毒性非常弱，非常適合用於標記活細胞。然而，綠色螢光蛋白被發現20多年後，才有人將其套用在生物樣品標記上。1993年，馬丁·沙爾菲成功地通過基因重組的方法使得除水母以外的其他生物(如大腸桿菌等）也能產生綠色螢光蛋白。他不僅證實了綠色螢光蛋白與活體生物的相容性，還建立了利用綠色螢光蛋白研究基因表達的基本方法，而許多現代重大疾病都與基因表達的異常有關。
有了這些螢光蛋白，利用光學的儀器，科學家們就好像在細胞內裝上了“燈塔”，得以實時監測各種生命的過程。通過沙爾菲的基因克隆思路，迄今科學家們還培育出了螢光老鼠和螢光豬。
另外，除了上述的螢光分子和螢光蛋白標記外，2000年以來，隨著生物納米技術的發展，一些新型的、具有生物兼容性的光學納米標記物也被研究開發出來，如上轉換納米粒子、量子點、長延時螢光粒子等都被研究和利用。用作細胞、活體的生物標記，作為生物光學成像 “感測”的有力武器。
生物光學標記種類及套用
螢光分子/納米粒子標記Fluorescent molecular/nanoparticle marker
螢光分子包括有機試劑或金屬螯合物；螢光納米粒子則有上轉換、量子點等。其在紫外-可見-近紅外區有較強的特徵螢光，利用該分子/納米粒子標記細胞、活體後，可實現光學的示蹤檢測等，或者該螢光探針的激發和發射波長、強度、壽命、偏振等螢光性質可隨極性、折射率、黏度等所處環境性質改變而靈敏地改變，利用這一性質可進行生物檢測。螢光分子/納米粒子標記設計靈活、套用方便，在生物分子識別、細胞生理檢測、活體特定組織光學成像等方面有著廣泛的套用。
生物發游標記 Bioluminescence marker
生物發游標記是用螢光素酶(Luciferase)基因標記細胞或 DNA的一種生物標記方法，標記後，細胞合成該螢光素酶，然後加入外源性的螢光素，在該酶的作用下，螢光素氧化後發光。該方法讓研究人員能夠直接監控活體生物體內的細胞活動和基因行為。通過這個系統，可以觀測活體動物體內腫瘤的生長及轉移、感染性疾病發展過程、特定基因的表達等生物學過程。因其操作極其簡單、所得結果直觀、靈敏度高等特點,已廣泛套用於生命科學、醫學研究及藥物開發等方面。
螢光蛋白標記 Fluorescent protein marker
將螢光蛋白基因片段與目的基因連線後，轉染進入細胞，待其正常表達後，在激發光下，利用螢光顯微鏡、流式細胞儀或者雷射共聚焦顯微鏡即可對其進行觀察檢測。螢光蛋白有綠色螢光蛋白（GFP）、紅色螢光蛋白(RFP),藍色螢光蛋白(BFP)、黃色螢光蛋白（YFP）等。可對活細胞無害標記，長時間觀測。因而廣泛套用於轉基因動物的研究、融合標記、基因治療、蛋白在活細胞內功能定位及遷移變化、病原菌侵入活細胞的分子過程等。螢光蛋白作為新一代的基因轉移報告物和/或定位標記物，在生命科學研究中越來越受到關注
化學發游標記 Chemiluminescence marker
在待檢測的分子(蛋白質、核酸等)上連線可激活發光的化合物的方法。也可以連線上半抗原(如地高辛精、生物素等)，再用酶標記的抗半抗原抗體或抗生物素蛋白與之結合，結合於半抗原上的酶標記抗體或抗生物素蛋白能催化化學發光底物發生化學變化從而發光。如抗體分子以吖啶酯標記，加觸發劑激活後發光，用於檢測固相化的抗原。
發展前景
藉助於迅速發展的光學檢測技術和成熟的光學成像儀器，生物光學標記從產生之初就表現出了強大的套用活力。其在分子檢測、生物機制研究、腫瘤標記診斷等各個領域都有廣泛的套用。生物光學標記技術為人們觀察神秘的微觀生物世界打開了一扇視窗，讓人們能實實在在的“看”到以前看不到的生物過程和生命現象。生物光學技術方興未艾，生物光學套用還有待進一步開拓。相信隨著生物光學技術的發展，人們將能夠在更小尺度、更精確地跟蹤觀測生命過程。
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