活體成像的原理和應(yīng)用?；铙w成像技術(shù)是一種非侵入性的生物醫(yī)學(xué)研究工具，能夠在細(xì)胞和分子水平上應(yīng)用影像學(xué)方法對生物過程和時間上的定性和定量分析。這一技術(shù)通過高靈敏度的光學(xué)檢測儀器，對活體狀態(tài)下的生物過程進(jìn)行實時監(jiān)測，為疾病診斷、藥物研發(fā)等領(lǐng)域提供了重要的工具。本文將從活體成像的原理和應(yīng)用兩個方面進(jìn)行介紹。

活體成像的原理

活體成像技術(shù)主要包括生物發(fā)光（Bioluminescence）與熒光（Fluorescence）、同位素成像（Isotopes）、X光成像（X-ray）等。其中，生物發(fā)光技術(shù)因其操作簡單、反應(yīng)靈敏，在腫瘤、分子互作及信號傳導(dǎo)等研究中得到了廣泛應(yīng)用。

生物發(fā)光成像

生物發(fā)光技術(shù)利用熒光素酶（Luciferase）基因標(biāo)記細(xì)胞或DNA，當(dāng)外源給予其底物熒光素（Luciferin）時，熒光素酶在ATP及氧氣的存在條件下催化熒光素的氧化反應(yīng)，從而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。這種酶只有在活細(xì)胞內(nèi)才會產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，且發(fā)光強度與標(biāo)記細(xì)胞的數(shù)目線性相關(guān)。

熒光素酶基因標(biāo)記細(xì)胞的方法通常是通過分子生物學(xué)克隆技術(shù)，將熒光素酶的基因插到預(yù)期觀察的細(xì)胞的染色體內(nèi)，通過單克隆細(xì)胞技術(shù)的篩選，培養(yǎng)出能穩(wěn)定表達(dá)熒光素酶的細(xì)胞株。將標(biāo)記好的細(xì)胞注入小鼠體內(nèi)后，觀測前需要注射熒光素酶的底物——熒光素。熒光素脂溶性非常好，很容易透過血腦屏障。注射一次熒光素能保持小鼠體內(nèi)熒光素酶標(biāo)記的細(xì)胞發(fā)光30-45分鐘。每次熒光素酶催化反應(yīng)只產(chǎn)生一個光子，利用生物光學(xué)分子成像系統(tǒng)，應(yīng)用一個高度靈敏的制冷CCD相機及特別設(shè)計的成像暗箱和成像軟件，可觀測并記錄到這些光子。

熒光成像

熒光成像則是通過熒光染料標(biāo)記后，通過激發(fā)光和發(fā)射光獲取成像。常用的熒光報告基團(tuán)包括綠色熒光蛋白（GFP）、紅色熒光蛋白（RFP）等。熒光素被熒光素酶氧化的過程中可以釋放波長廣泛的可見光光子，其波長范圍為460-630nm（平均波長為560nm）。在哺乳動物體內(nèi)，血紅蛋白是吸收可見光的主要成分，能吸收藍(lán)綠光波段中的大部分可見光；水和脂質(zhì)主要吸收紅外線，但其均對波長為590-800nm的紅光近紅外線吸收能力較差，因此波長超過600nm的紅光雖然有部分散射消耗但大部分可以穿透哺乳動物組織而被高靈敏CCD檢測到。

活體成像的應(yīng)用

活體成像技術(shù)因其操作極其簡單、所得結(jié)果直觀、靈敏度高等特點，在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)研究及藥物開發(fā)等方面得到了廣泛應(yīng)用。

腫瘤研究

活體成像技術(shù)在腫瘤研究中的應(yīng)用非常廣泛，包括腫瘤生長動態(tài)觀察、抗腫瘤藥物療效評價、轉(zhuǎn)移模型建立等。通過熒光素酶基因標(biāo)記腫瘤細(xì)胞，可以建立各種可視腫瘤模型，實時觀察體內(nèi)腫瘤細(xì)胞的增殖、生長、轉(zhuǎn)移情況。這種技術(shù)的靈敏度極高，能夠檢測到微小的腫瘤病灶（少到幾百個細(xì)胞），比傳統(tǒng)方法的檢測靈敏度大大提高，避免了因屠殺實驗動物而造成的組間差異，節(jié)省動物成本。

藥物動力學(xué)研究

活體成像技術(shù)還可以幫助了解新藥在體內(nèi)的吸收、分布、代謝和排泄過程。例如，標(biāo)記與藥物代謝有關(guān)的基因，研究不同藥物對該基因表達(dá)的影響，從而間接獲知相關(guān)藥物在體內(nèi)代謝的情況。在藥劑學(xué)研究方面，通過把熒光素酶報告基因質(zhì)粒直接裝在載體中，觀察藥物載體的靶向臟器與體內(nèi)分布規(guī)律。在藥理學(xué)方面，可用熒光素酶基因標(biāo)記目的基因，觀察藥物作用的通路。

免疫細(xì)胞研究

活體成像技術(shù)還可以用于標(biāo)記免疫細(xì)胞，觀察免疫細(xì)胞對腫瘤細(xì)胞的識別和殺死功能，評價免疫細(xì)胞的免疫特異性、增殖、遷移等功能。這對于研究免疫細(xì)胞在疾病中的作用具有重要意義。

干細(xì)胞研究

在干細(xì)胞研究中，活體成像技術(shù)可以標(biāo)記組成性表達(dá)的基因，在轉(zhuǎn)基因動物水平標(biāo)記干細(xì)胞。若將干細(xì)胞移植到另外動物體內(nèi)，可用活體生物發(fā)光成像技術(shù)示蹤干細(xì)胞在體內(nèi)的增殖、分化及遷移的過程。這對于研究干細(xì)胞的生物學(xué)特性及其在疾病治療中的應(yīng)用具有重要價值。

基因表達(dá)研究

活體成像技術(shù)還可以用于研究基因表達(dá)模式。將熒光素酶基因插入到目的基因啟動子的下游，并穩(wěn)定整合于實驗動物染色體中，形成轉(zhuǎn)基因動物模型。該方式可實現(xiàn)目的基因與熒光素酶的表達(dá)平行，從而直接觀察目的基因的表達(dá)模式，包括數(shù)量、時間、部位及影響其表達(dá)和功能的因素。這對于研究基因調(diào)控機制和疾病發(fā)生機制具有重要意義。

感染性疾病模型

活體成像技術(shù)還可以用于研究感染性疾病模型，如細(xì)菌或病毒感染后病原體在體內(nèi)的擴(kuò)散路徑及宿主免疫應(yīng)答。通過標(biāo)記特定細(xì)胞或分子來追蹤體內(nèi)炎癥發(fā)生位置及其程度變化，有助于了解感染性疾病的發(fā)展過程和治療機制。

神經(jīng)科學(xué)應(yīng)用

活體成像技術(shù)在神經(jīng)科學(xué)研究中也有廣泛應(yīng)用。例如，可以用于腦損傷后修復(fù)情況跟蹤、神經(jīng)退行性疾病模型中的病理特征可視化等。通過標(biāo)記特定神經(jīng)細(xì)胞或分子，可以實時觀測神經(jīng)細(xì)胞的生理活動和病理變化，為神經(jīng)科學(xué)研究提供重要工具。

其他應(yīng)用

此外，活體成像技術(shù)還可以用于代謝性疾病模型、心血管疾病模型等領(lǐng)域。例如，在糖尿病、肥胖癥等疾病的動物模型中，可以通過該技術(shù)監(jiān)測相關(guān)生物標(biāo)志物的變化；在心肌梗死模型的建立、血管新生過程的研究中，也可以通過該技術(shù)實時觀測疾病的發(fā)展進(jìn)程和治療效果。

總結(jié)

活體成像技術(shù)作為一種在體探測方法，具有連續(xù)、快速、遠(yuǎn)距離、無損傷地獲得人體分子細(xì)胞的三維圖像的優(yōu)勢。它可以揭示病變的早期分子生物學(xué)特征，推動了疾病的早期診斷和治療，也為臨床診斷引入了新的概念。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，活體成像技術(shù)將在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)研究及藥物開發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。