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活體成像技術(shù)主要是利用一套非常靈敏的光學(xué)檢測儀器，能夠直接監(jiān)控活體生物體內(nèi)的細(xì)胞活動(dòng)和基因行為。通過這個(gè)系統(tǒng)，可以觀測活體動(dòng)物體內(nèi)腫瘤的生長及轉(zhuǎn)移，感染性疾病發(fā)展過程、特定基因的表達(dá)等生物學(xué)過程。其優(yōu)點(diǎn)為較傳統(tǒng)屠宰動(dòng)物相比，該技術(shù)能夠?qū)ν环N實(shí)驗(yàn)對象在不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行記錄，跟蹤同一觀察目標(biāo)（標(biāo)記細(xì)胞及基因）的移動(dòng)及變化，所得的數(shù)據(jù)更加真實(shí)可信。目前主要采用生物發(fā)光（bioluminescence）與熒光（fluorescence）兩種技術(shù)。

1：技術(shù)原理

活體生物發(fā)光技術(shù)是指在小的哺乳動(dòng)物體內(nèi)利用報(bào)告基因（如熒光素酶基因）表達(dá)所產(chǎn)生的熒光素酶蛋白與其小分子底物熒光素在氧、Mg²⁺離子存在的條件下消耗ATP發(fā)生氧化反應(yīng)，將部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化為可見光能釋放，然后在體外利用敏感的CCD設(shè)備形成圖像。熒光素酶報(bào)告基因質(zhì)?？梢员徊迦攵喾N基因的啟動(dòng)子，成為某種基因的報(bào)告基因，通過檢測報(bào)告基因從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)基因的監(jiān)測。

生物熒光其本質(zhì)為化學(xué)熒光，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(dòng)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(dòng)物組織被高靈敏的CCD檢測到。

2：應(yīng)用范圍

癌癥與抗癌藥物研究；免疫學(xué)與干細(xì)胞的研究；細(xì)胞凋亡；病理機(jī)制及病毒研究；基因表達(dá)和蛋白質(zhì)之間相互作用；轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型構(gòu)建；藥效評估；藥物甄選與預(yù)臨床檢驗(yàn)；藥物配方與劑量管理；腫瘤學(xué)應(yīng)用；生物光子學(xué)檢測；視頻監(jiān)督與環(huán)境監(jiān)督等。

1：腫瘤學(xué)

活體成像技術(shù)可以在近無創(chuàng)條件下對活體組織或小動(dòng)物體內(nèi)的生物學(xué)行為進(jìn)行成像跟蹤，已被廣泛應(yīng)用于腫瘤研究中。

活體生物發(fā)光成像技術(shù)能夠讓研究人員能夠直接快速的測量各種癌癥模型中腫瘤的生長、轉(zhuǎn)移以及對藥物的反應(yīng)。其特點(diǎn)是*的靈敏度使微小的腫瘤病灶（少到幾百個(gè)細(xì)胞）也可以被檢測的到。比傳統(tǒng)的方法的檢測靈敏度大大提高，非常適合于腫瘤體內(nèi)生長的定量分析。避免殺老鼠而造成的組間差異，節(jié)省動(dòng)物成本。由于以上特點(diǎn)，使基于轉(zhuǎn)移模型、原位模型、自發(fā)腫瘤模型等方面的腫瘤學(xué)研究得到發(fā)展。建立腫瘤轉(zhuǎn)移模型，可以觀察腫瘤轉(zhuǎn)移情況，進(jìn)一步探討腫瘤轉(zhuǎn)移的機(jī)制。

2：藥物研究

抗腫瘤藥物研究：

由于活體成像技術(shù)具有更高的靈敏度，故較傳統(tǒng)方法能夠更地對早期瘤塊細(xì)胞進(jìn)行檢測。同時(shí)，該技術(shù)檢測到的細(xì)胞僅為活細(xì)胞。綜上，該技術(shù)能夠更早更靈敏的發(fā)現(xiàn)藥物的療效。

通過給予腫瘤接種的小鼠不同劑量，不同給藥時(shí)間，不同給藥途徑，觀察抗腫瘤藥物的*給藥途徑，給藥劑量及時(shí)間，從而制定合適的劑型與服藥時(shí)間。

藥物代謝相關(guān)研究：

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，從而可間接知道相關(guān)藥物在體內(nèi)代謝的情況。在藥劑學(xué)研究方面，可通過把熒光素酶報(bào)告基因質(zhì)粒直接裝在在載體中，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，用熒光素酶基因標(biāo)記目的基因，觀察藥物作用的通路。

3：細(xì)胞標(biāo)記

免疫細(xì)胞研究：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(jià)免疫細(xì)胞的免疫特異性、增殖、遷移等功能。

干細(xì)胞研究：a:標(biāo)記組成性表達(dá)的基因，在轉(zhuǎn)基因動(dòng)物水平，標(biāo)記干細(xì)胞，若將干細(xì)胞移植到另外動(dòng)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。b：用慢病毒直接標(biāo)記細(xì)胞后，移植到體內(nèi)觀測其增殖、分化及遷移過程，研究其修復(fù)、治療損傷或缺陷部分的效果，進(jìn)一步探討其機(jī)制。

4：基因表達(dá)與基因功能的研究

將熒光素酶基因插入到目的基因啟動(dòng)子的下游，并穩(wěn)定整合于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物染色體中，形成轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型。該方式可實(shí)現(xiàn)目的基因與熒光素酶的表達(dá)平行，從而可直接觀察目的基因的表達(dá)模式，包括數(shù)量、時(shí)間、部位及影響其表達(dá)和功能的因素。

5：細(xì)胞凋亡

用分子生物學(xué)方法在熒光酶的兩端連接上抑制發(fā)光的蛋白（如激素酶），但在其連接處加上caspase，細(xì)胞發(fā)生凋亡時(shí)，表達(dá)caspase，切開抑制熒光酶發(fā)光的蛋白，使熒光素酶開始發(fā)光。

3：應(yīng)用前景

活體成像技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)將分子生物學(xué)技術(shù)從體外研究轉(zhuǎn)移到動(dòng)物體內(nèi)研究。因該技術(shù)能夠觀測活體動(dòng)物內(nèi)的基因表達(dá)和細(xì)胞活動(dòng)，并且該技術(shù)具有檢測靈敏度高，操作簡單等優(yōu)勢，正在越來越廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)及生物學(xué)研究領(lǐng)域。

FAQ

（1）生物發(fā)光與熒光技術(shù)的比較

（2）如何能檢測到體內(nèi)發(fā)出的可見光？

答：兩個(gè)主要的原因能夠保證可見光成像技術(shù)能夠檢測到體內(nèi)發(fā)出的微弱的可見光。a：高靈敏度的制冷CCD鏡頭，可達(dá)到零下-105℃，體內(nèi)發(fā)出的非常少的光子也能檢測得到。b：密封的暗箱裝置，可以屏蔽包括射線在內(nèi)的所有光線。

（3）大鼠可否用作活體成像實(shí)驗(yàn)？

答：成體老鼠和裸鼠，幼鼠及胚胎的區(qū)別只在于對可見光的穿透性不同，可見光的穿透能力在3-4cm之間，所以大鼠也可以作為活體成像的動(dòng)物，關(guān)于大鼠活體成像已有很多文章發(fā)表。

（4）CCD鏡頭的低溫會(huì)不會(huì)對小動(dòng)物產(chǎn)生影響？

答：不會(huì)的，低溫的范圍只局限于CCD鏡頭的小范圍內(nèi)，其他范圍內(nèi)都是室溫。

（5）使用麻醉劑麻醉動(dòng)物有什么優(yōu)勢？

答：麻醉機(jī)麻醉系統(tǒng)相對于腹腔注射對于小鼠的麻醉在時(shí)間和精度上的控制更準(zhǔn)確，使用也更加方便。

（6）用熒光素進(jìn)行活體成像與綠色熒光蛋白檢測體內(nèi)發(fā)光相比優(yōu)勢何在？

答：熒光素酶的偏紅光比綠色熒光蛋白的綠光在體內(nèi)的穿透性要強(qiáng)近100倍。熒光素是靠和熒光素酶的相互作用發(fā)光，特異性很強(qiáng)，得到的信噪比較高；熒光蛋白需要激發(fā)光來產(chǎn)生反射光，但是在檢測的過程中，老鼠的皮毛，皮膚都會(huì)產(chǎn)生非特異性熒光，使得信噪比降低。熒光蛋白檢測更適合于體外檢測，熒光素酶的檢測更適合于體內(nèi)檢測。

（7）與傳統(tǒng)技術(shù)相比，生物發(fā)光成像技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在哪些方面？

答：與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該技術(shù)對于腫瘤轉(zhuǎn)移的研究、基因治療、流行病學(xué)的發(fā)病學(xué)研究，干細(xì)胞示蹤，白血病的相關(guān)研究等方面，用該技術(shù)進(jìn)行腫瘤的藥效研究，比傳統(tǒng)方法更靈敏，還可以通過一系列轉(zhuǎn)基因動(dòng)物疾病模型，來快速直觀的進(jìn)行相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)理和藥物篩選研究。

（8）如何用熒光素酶基因標(biāo)記干細(xì)胞嗎？

答：可標(biāo)記組成性表達(dá)的基因，做成轉(zhuǎn)基因小鼠，干細(xì)胞就被標(biāo)記了，從此小鼠的骨髓取出造血干細(xì)胞，移植到另外一只小鼠的骨髓內(nèi)，可以用該技術(shù)示蹤造血干細(xì)胞在體內(nèi)的增殖和分化及遷徙到全身的過程。另外一種方法是用慢病毒標(biāo)記神經(jīng)干細(xì)胞。

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