在生命科學(xué)研究的眾多領(lǐng)域中，小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)扮演著至關(guān)重要的角色。這一技術(shù)為科研人員提供了一種在活體狀態(tài)下，對(duì)小動(dòng)物體內(nèi)的生物學(xué)過(guò)程和疾病發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)、非侵入性觀察和分析的手段。小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)具備多種成像模式，每種模式都有其獨(dú)特的原理、優(yōu)勢(shì)、不足以及特定的應(yīng)用場(chǎng)景。深入對(duì)比這些成像模式，有助于科研人員根據(jù)研究需求選擇最合適的成像技術(shù)，從而推動(dòng)生命科學(xué)研究的進(jìn)展。

一、可見(jiàn)光成像模式

（一）生物發(fā)光成像

生物發(fā)光成像利用熒光素酶基因標(biāo)記細(xì)胞或DNA，當(dāng)熒光素酶與相應(yīng)底物發(fā)生氧化反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光信號(hào)。這種成像技術(shù)具有背景噪音低、圖像清晰、靈敏度高的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地定位發(fā)光位點(diǎn)。由于生物發(fā)光信號(hào)來(lái)源于生物體內(nèi)的自發(fā)反應(yīng)，因此不需要外界激發(fā)光源，避免了激發(fā)光對(duì)生物樣本的干擾。

生物發(fā)光成像尤其適合于腫瘤細(xì)胞和其他類(lèi)細(xì)胞的研究。例如，在腫瘤研究領(lǐng)域，科研人員可以利用該技術(shù)無(wú)創(chuàng)地定量檢測(cè)小動(dòng)物整體的原位瘤、轉(zhuǎn)移瘤及自發(fā)瘤的大小及轉(zhuǎn)移情況。通過(guò)標(biāo)記腫瘤細(xì)胞，使其成為發(fā)光源，接種到活體動(dòng)物體內(nèi)后，隨著腫瘤細(xì)胞的增多，發(fā)光信號(hào)逐漸增強(qiáng)?？蒲腥藛T可以通過(guò)觀察發(fā)光信號(hào)的變化，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腫瘤的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移過(guò)程，為腫瘤的診斷和治療提供重要依據(jù)。然而，生物發(fā)光成像也存在一定的局限性。熒光素酶-熒光素反應(yīng)會(huì)使熒光素酶高表達(dá)的腫瘤生長(zhǎng)受到抑制，這可能與反應(yīng)后ATP水平下降、副產(chǎn)物的形成以及缺氧有關(guān)。此外，生物發(fā)光成像屬于二維平面成像，不能進(jìn)行絕對(duì)定量，這在一定程度上限制了其在某些研究中的應(yīng)用。

（二）熒光成像

熒光成像采用熒光染料或熒光蛋白等熒光標(biāo)記物質(zhì)，在特定波長(zhǎng)光的激發(fā)下發(fā)出特定波長(zhǎng)的熒光信號(hào)。與生物發(fā)光成像不同，熒光成像需要外界激發(fā)光源的激發(fā)。該技術(shù)具有多種熒光報(bào)告基因和熒光染料可供選擇，如綠色熒光蛋白、紅色熒光蛋白、FITC、Cy5、Cy7等，能夠滿足不同的研究需求。

熒光成像的優(yōu)勢(shì)在于其使用低能量、無(wú)輻射，對(duì)信號(hào)檢測(cè)靈敏度高，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)標(biāo)記的活體生物體內(nèi)的細(xì)胞活動(dòng)和基因行為。它被廣泛應(yīng)用到監(jiān)控轉(zhuǎn)基因的表達(dá)、基因治療、感染的進(jìn)展、腫瘤的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移、器官移植、毒理學(xué)、病毒感染和藥學(xué)研究中。例如，在神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域，科研人員可以利用熒光成像技術(shù)標(biāo)記神經(jīng)細(xì)胞，觀察神經(jīng)細(xì)胞的形態(tài)、分布和功能變化，研究神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機(jī)制。然而，熒光成像同樣存在二維平面成像、不能絕對(duì)定量的問(wèn)題。而且，動(dòng)物的毛發(fā)、體內(nèi)食物等產(chǎn)生的自發(fā)熒光會(huì)降低熒光的信噪比，減弱成像的靈敏度，從而影響成像效果。為了克服這些問(wèn)題，科研人員可以采用無(wú)熒光素鼠糧飼養(yǎng)小鼠、剃去小鼠毛發(fā)等方法減少自發(fā)熒光，也可以利用成像系統(tǒng)通過(guò)軟件處理除去熒光信號(hào)。

二、核素成像模式

（一）PET成像

正電子發(fā)射斷層成像技術(shù)（PET）利用放射性核素作為示蹤劑，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記，并進(jìn)行活體成像。其成像原理是利用醫(yī)用回旋加速器發(fā)生的核反應(yīng)，生產(chǎn)正電子放射性核素，通過(guò)有機(jī)合成、無(wú)機(jī)反應(yīng)或生化合成制備各種正電子顯像劑或示蹤物質(zhì)。顯像劑引入體內(nèi)定位于靶器官后，利用PET顯像儀采集信息，顯示不同斷面圖并給出定量生理參數(shù)。

PET成像具備優(yōu)異的特異性、敏感性和能定量示蹤標(biāo)記物的特點(diǎn)。所使用的放射性核素多為動(dòng)物生理活動(dòng)需要的元素，因此不影響其生物學(xué)功能，放射性標(biāo)記物進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)后，能夠聚集在特定的組織器官或參與組織細(xì)胞的代謝。此外，PET使用的放射性核素半衰期超短，一般在十幾分鐘到幾小時(shí)，適合于快速動(dòng)態(tài)研究，如11C、15O、3N等，半衰期在20min以內(nèi)。

然而，PET成像也面臨一些挑戰(zhàn)?？臻g分辨率和系統(tǒng)絕對(duì)靈敏度是影響PET圖像質(zhì)量的重要指標(biāo)，但分辨率和靈敏度卻又是一對(duì)矛盾體，需要系統(tǒng)綜合的設(shè)計(jì)考慮。盡管如此，基于其巨大的應(yīng)用潛能，PET成像必將成為藥物的尋找和開(kāi)發(fā)、以動(dòng)物模型模擬人類(lèi)疾病揭示疾病的生化過(guò)程、研究活體動(dòng)物基因表達(dá)顯像以及其他生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要方法。

（二）SPECT成像

單光子發(fā)射斷層成像技術(shù)（SPECT）與PET成像類(lèi)似，都屬于核醫(yī)學(xué)的顯像技術(shù)，都利用放射性核素的示蹤原理進(jìn)行顯像。但SPECT使用長(zhǎng)半衰期的放射性同位素，不需要回旋加速器。常使用的放射性核素不是生理性元素，如99mTc、111In、123I和67Ga等，這些放射性核素的半衰期從6h到3天，通常較PET使用的放射性核素半衰期長(zhǎng)。

SPECT成像的不足在于單光子SPECT的靈敏度、分辨率、圖像質(zhì)量及定量準(zhǔn)確性較PET差。但隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是新探測(cè)器的發(fā)展，有望將SPECT的敏感度提高到PET水平。由于SPECT不依賴(lài)回旋加速器，且放射線示蹤劑種類(lèi)不斷增加，因此具有很大的應(yīng)用前景。它可以用于監(jiān)視生理功能、示蹤代謝過(guò)程和定量受體密度等，在生命科學(xué)研究中發(fā)揮著重要的作用。

三、計(jì)算機(jī)斷層攝影成像（CT）模式

CT屬于解剖學(xué)成像，目前的小動(dòng)物CT系統(tǒng)大多數(shù)采用高分辨大矩陣平板探測(cè)器和微焦點(diǎn)X射線機(jī)的CBCT三維重建技術(shù)，能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)小型嚙齒動(dòng)物（小鼠或大鼠）活體狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)成像。部分小動(dòng)物CT系統(tǒng)采用小焦點(diǎn)X光機(jī)，能夠進(jìn)行離體動(dòng)物組織、生物材料等樣品的無(wú)損三維檢測(cè)。

小動(dòng)物CT設(shè)備在小動(dòng)物骨和肺部組織檢查等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于骨的研究，如果在小梁水平上分析，一般要求空間分辨率較高，通常在15μm以內(nèi)；活體小動(dòng)物的肺部組織檢查時(shí)，空間分辨率在50—200μm即可，呼吸門(mén)控技術(shù)的加入也有助于圖像偽影的消除。然而，CT成像對(duì)于血管、內(nèi)臟等軟組織成像需要借助造影劑增強(qiáng)對(duì)比觀察。

小動(dòng)物CT的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，主要包括骨研究（如骨小梁）、肺部組織、生物材料（如仿生材料生物支架的孔隙率、強(qiáng)度等）、疾病機(jī)制研究（如疾病狀態(tài)對(duì)骨骼發(fā)育、修復(fù)的影響）、新藥開(kāi)發(fā)（如骨質(zhì)疏松癥及療效評(píng)價(jià)）等。它主要是對(duì)活體小動(dòng)物的硬組織和相關(guān)軟組織的掃描成像分析，集中于骨領(lǐng)域研究。目前，一些新型的造影劑也逐步應(yīng)用于小動(dòng)物CT的研究，相對(duì)于臨床上的傳統(tǒng)碘劑造影劑，這些新型造影劑的特點(diǎn)是時(shí)程長(zhǎng)、與周?chē)M織的對(duì)比明顯，通常用于活體小動(dòng)物的血管造影和連續(xù)觀察。

四、磁共振成像（MRI）模式

MRI是依據(jù)所釋放的能量在物質(zhì)內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)環(huán)境中不同的衰減，而繪制出物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像。它通過(guò)外加梯度磁場(chǎng)檢測(cè)所發(fā)射出的電磁波，得知構(gòu)成這一物體原子核的位置和種類(lèi)，據(jù)此繪制成物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像。

MRI相對(duì)于CT具有無(wú)電離輻射性（放射線）損害、高度的軟組織分辨能力、無(wú)需使用對(duì)比劑即可顯示血管結(jié)構(gòu)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于核素和可見(jiàn)光成像，小動(dòng)物MRI的優(yōu)勢(shì)是具有微米級(jí)的高分辨率及低毒性。在某些應(yīng)用中，MRI能同時(shí)獲得生理、分子和解剖學(xué)的信息，這些正是核醫(yī)學(xué)、光學(xué)成像的弱點(diǎn)。因此，對(duì)于小動(dòng)物研究，小動(dòng)物MRI是一個(gè)功能強(qiáng)大、多用途的成像系統(tǒng)。

然而，MRI的敏感性較低（微克分子水平），與核醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的納克分子水平相比，低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。所以小動(dòng)物MRI設(shè)備不是最理想的成像系統(tǒng)。但隨著多模式平臺(tái)的發(fā)展，如小動(dòng)物MRI/PET，可以從一個(gè)儀器中得到更全面的信息，彌補(bǔ)了單一成像模式的不足。

五、超聲成像模式

超聲成像基于聲波在軟組織傳播而成像，由于無(wú)輻射、操作簡(jiǎn)單、圖像直觀、價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)在臨床上廣泛應(yīng)用。在小動(dòng)物研究中，超聲成像主要應(yīng)用于生理結(jié)構(gòu)易受外界影響的膀胱和血管。

然而，超聲成像在小動(dòng)物研究中的應(yīng)用受到一定限制。由于所達(dá)到組織深度的限制和成像的質(zhì)量容易受到骨或軟組織中的空氣的影響而產(chǎn)生假象，所以超聲不像其他動(dòng)物成像技術(shù)那樣應(yīng)用廣泛。例如，在對(duì)小動(dòng)物的心臟進(jìn)行成像時(shí)，骨骼和肺部組織可能會(huì)對(duì)超聲信號(hào)產(chǎn)生干擾，影響成像的準(zhǔn)確性。

六、多模態(tài)成像模式

傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)成像技術(shù)，如CT、MRI和超聲等有較高的空間分辨率，但它們的共同缺點(diǎn)是直到組織結(jié)構(gòu)變化才能檢測(cè)到疾病，即對(duì)疾病的敏感性較低，而這時(shí)疾病通常已到中晚期。功能成像技術(shù)，如可見(jiàn)光成像、核素成像則能通過(guò)分子和細(xì)胞的變化檢測(cè)到疾病，例如腫瘤在導(dǎo)致組織結(jié)構(gòu)變化之前就可通過(guò)核素成像被檢測(cè)到，但功能成像技術(shù)的空間分辨率較低，結(jié)構(gòu)信息不足。

多模態(tài)成像模式結(jié)合了不同成像模式的優(yōu)勢(shì)，能夠提供更全面、準(zhǔn)確的信息。例如，將小動(dòng)物MRI與PET結(jié)合，可以從一個(gè)儀器中同時(shí)獲得生理、分子和解剖學(xué)的信息，以及定量的生理參數(shù)，為疾病的研究和診斷提供更強(qiáng)大的工具。多模態(tài)成像模式的發(fā)展是未來(lái)小動(dòng)物活體成像技術(shù)的重要方向，它將有助于科研人員更深入地了解生物體內(nèi)的復(fù)雜過(guò)程，推動(dòng)生命科學(xué)研究的不斷發(fā)展。

小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)的各種成像模式各有優(yōu)劣?？蒲腥藛T在進(jìn)行研究時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的研究目的、研究對(duì)象和研究條件，選擇合適的成像模式，或者結(jié)合多種成像模式，以獲得更準(zhǔn)確、全面的研究結(jié)果。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，小動(dòng)物活體成像技術(shù)將在生命科學(xué)研究中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。