在体生物光学成像技术

编辑:香料网互动百科 时间:2020-02-22 06:22:55
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在体生物发光成像和在体荧光成像是近年来新兴的在体生物光学成像技术, 能够无损实时动态监测被标记细胞在活体小动物体内的活动及反应, 在肿瘤检测、 基因表达、 蛋 白质分子检测、 药物受体定位、 药物筛选和药物疗效评价等方面具有很大的应用潜力。
中文名
在体生物光学成像技术
外文名
In vivo optical imaging
专    业
光学成像技术

在体生物光学成像技术背景引言

随着荧光标记技术和光学成像技术的发展, 在体生物光学成像(In vivo optical imaging)已经发展 为一项崭 新的分子、基因表达的分析检测技术,在生命科学、 医学研究及药物研发等领域得到广泛应用, 主要分为在体生物发光成像(Bioluminescence imaging,BLI) , 和在体荧光成像(Fluorescence imaging)两种成像方式[1]  。 在体生物发光成像采用荧光素酶基因标记细胞或DNA, 在体荧光成像则采用荧光报告基团, 如绿色荧光蛋白, 、 红色荧光蛋白等进行标记[2]  , 利用灵敏的光学检测仪器, 如电荷耦合摄像机 (CCD), ,观测活体动物体内疾病的发生发展、 肿瘤的生长及转移、 基因的表达及反应等生物学过程, 从而监测活体生物体内的细胞活动和基因行为[3] 

在体生物光学成像技术简介

1995年,Contag[2]  首次在活体哺乳动物体内检测到Lux操纵子(由荧光素酶基因和其底物合成酶基因组成)的病原菌, 在不需要外源性底物的情况下, 发出持续的可见光,1997 年, 他又观察到表达Fluc基因的转基因小鼠, 注入底物荧光素后, 荧光素酶蛋白与荧光素在氧、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, 由于这种生物发光现象只有在活细胞内才会发生, 而且发光强度与标记细胞的数目成正比, 因此己被广泛应用于在体生物光学成像的研究中。
荧光素酶的每个催化反应只产生一个光 子[4]  , 通常肉眼无法直接观察到, 而且光子在强散射性的生物组织中传输时, 将会发生吸收、 散射、 反射、 透射等大量光学行为 [4]  。 因此,必须采用高灵敏度的光学检测仪器( 如CCD camera)采集并定量检测生物体内所发射的光子数量, 然后将其转换成图像, 在体生物发光成像中的发光光谱范围通常为可见光到近红外光波段, 哺乳动物体内血红蛋白主要吸收可见光, 水和脂质主要吸收红外线, 但对波长为 590~1500nm的红光至近红外线吸收能力则较差, 因此, 大部分波长超过600nm的红光, 经过散射、吸收后能够穿透哺乳动物组织, 被生物体外的高灵敏光学检测仪器探测到, 这是在体生物发光成像的理论基础

在体生物光学成像技术分类

根据成像方式的不同, 在体生物发光成像主要有生物发光成像,和生物发光断层成像两种。其中,BLI 的输出是二维图像, 即生物体外探测器上采集的光学信号,其原理简单、 使用方便快捷, 适用于定性分析及简单的定量计算, 但无法获得生物体内发光光源的深度信息, 难以实现光源的准确定位[5]  。 而IVIS成像系统则利用 多个生物体外探测器上采集的光学信号, 根据断层成像的原理, 采用特定的反演算法 [6]  ,得到活体小动物体 内发光光源的精确位置信息。目前, BLT的光源定位和生物组织光学特性参数的反演问题 已经成为国内外在体生物光学成像研究的重点和难点之一, 但还仅限于实验室研究阶段, 没有达到临床实验的阶段, 所 以尚未有成熟的成像系统.

在体生物光学成像技术成像原理及成像系统

在体生物 发光成像不需要外部光源激发, 自发荧光少,而在体荧光成像需要特定波长的外部激发光源激发, 自发荧光较多, 故前者比后者灵敏度更高, 两者的成像原理[7]  图如图1所示。
图1 在体生物光学成像原理图 图1 在体生物光学成像原理图
University of Iowa 的 Bioluminescence Tomography Laboratory的在体生物发光断层成像原型系统, 主要由 CCD相机、 固定小动物的支架、 控制装置 (使支架水平运动、 垂直运动或旋转) 、完全密闭的不透光的成像暗箱等组成。将小动物麻醉后固定在支架上, 并置于成像暗箱中, 由控制装置带动支架沿水平方向运动、 垂直方向运动或旋转, 利用相机从多个不同角度和位置对活体小动物的生物发光现象进行投影成像 然后将采集到的数据信息传输到计算机中, 并采用特定的图像重建算法定位动物体内的发光光源, 得到活体动物体内发光光源的精确位置信息。
Xenogen公司生产的IVIS成像系统[8]  是典型的在体荧光成像系统, 主要CCD 相机、 成像暗箱、激光器、 激发和发射滤光片、 恒温台、 气体麻醉系统、数据采集的计算机、 数据处理软件等组成。将小动物放置到成像暗箱中, 利用高性能的制冷对活体小动物某个特定位置的发光进行投影成像, 探测从小动物体内器官发射出的低水平荧光信号, 然后将得到的投影图像与小动物的普通图像进行叠加, 从而实现对小动物某个特定位置 的生物荧光进行量化, 井且可以重复进行。
图2 通过IVIS系统观察小鼠肿瘤生长情况 图2 通过IVIS系统观察小鼠肿瘤生长情况

在体生物光学成像技术在体生物光学成像的应用

作为一项新兴的分子、 基因表达 的分析检测技术, 在体生物光学成像已成功应用于生命科学、 生物医学、 分子生物学和药物研发等领域, 取得了大量研究成果[9]  , 主要包括:在体监测肿瘤的生长和转移、 基因治疗中的基因表达、 机体的生理病理改变过程 以及进行药物的筛选和评价等

在体生物光学成像技术在体监测肿瘤的生长和转移

利用在体生物光学成像技术, 通过荧光素酶或绿色荧光蛋白[10]  标记肿瘤细胞, 可以实时监测被标记肿瘤细胞在生物体内生长、转移、 对药物的反应等生理和病理活动, 揭示肿瘤发生发展的细胞和分子机制[11] 

在体生物光学成像技术在体监测基因治疗中的基因表达

随着后基因组时代的到来和人们对疾病发生发展机制的深入了解, 在基因水平上治疗肿瘤、 心血管疾病、 和分子遗传病等恶性疾病已经得到国内外研究人员越来越 广泛的关注。如何客观地检测基因治疗的临床疗效判断终点, 有效监测转基因在生物体内的传送, 并定量检测基因治疗的转基因表达, 己经成为基因治疗应用的关键所在 。通过荧光素酶或绿色荧光蛋白等报告基因, 在体生物光学成像技术能够进行基因表达[12]  的准确定位和定量分析, 在整体水平上无创、 实时、 定量地检测转基因的时空表达[13] 

在体生物光学成像技术揭示机体的生理病理改变过程

目前, 在体生物光学成像技术己成功应用于干细胞[14]  移植、 肿瘤免疫、 毒血症、 风湿性关节炎、 皮炎等发病机制的研究中, 可以实时监测生物机体的生理、病理改变过程, 具有重要的临床意义[15] 

在体生物光学成像技术药物的筛选和评价

目前 , 转基因动物模型己大量应用于病理研究、药物研发、 药物筛选和药物评价等领域。通过体外基因转染或直接注射等手段, 将荧光素酶或绿色荧光蛋 自等报告基因标记在生物体内的任何细胞, 如:肿瘤细胞、 造血细胞等上, 采用在体生物光学成像技术对其示踪, 了解细胞在生物体内的转移规律,不仅能够检测转基因动物体 内的基因表达或内源性基因的活性和功能, 而且能够对药物筛选及疗效进行评价[16] 

在体生物光学成像技术展望

目前, 在体生物光学成像[17]  还仅仅停留在仿体和小动物[18]  实验阶段, 尚未进入临床应用。初步研究表明, 在体生物光学成像可达约10cm的测量深度,近红外荧光能够穿透12cm的乳腺或肺组织、6cm的肌肉组织5cm的成人脑组织 , 因此在体生物光学成像具有巨大的临床应用潜力。
参考资料
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  • 词条标签:
    中国电子学会