小動物活體成像技術概覽（一）

1. 背景和原理：
1999年，美國哈佛大學Weissleder等人提出了分子影像學（molecular imaging）的概念——應用影像學方法，對活體狀態下的生物過程進行細胞和分子水平的定性和定量研究。

傳統成像大多依賴于肉眼可見的身體、生理和代謝過程在疾病狀態下的變化，而不是了解疾病的特異性分子事件。分子成像則是利用特異性分子探針追蹤靶目標并成像。這種從非特異性成像到特異性成像的變化，為疾病生物學、疾病早期檢測、定性、評估和治療帶來了重大的影響。

分子成像技術使活體動物體內成像成為可能，它的出現，歸功于分子生物學和細胞生物學的發展、轉基因動物模型的使用、新的成像藥物的運用、高特異性的探針、小動物成像設備的發展等諸多因素。目前，分子成像技術可用于——研究觀測特異性細胞、基因和分子的表達或互作過程，同時檢測多種分子事件，追蹤靶細胞，藥物和基因治療最優化，從分子和細胞水平對藥物療效進行成像，從分子病理水平評估疾病發展過程，對同一個動物或病人進行時間、環境、發展和治療影響跟蹤。

分子成像的優點：
分子成像和傳統的體外成像或細胞培養相比有著顯著優點。首先，分子成像能夠反映細胞或基因表達的空間和時間分布，從而了解活體動物體內的相關生物學過程、特異性基因功能和相互作用。第二，由于可以對同一個研究個體進行長時間反復跟蹤成像，既可以提高數據的可比性，避免個體差異對試驗結果的可影響，又不需要殺死模式動物，節省了大筆科研費用。第三，尤其在藥物開發方面，分子成像更是具有劃時代的意義。根據目前的統計結果，由于進入臨床研究的藥物中大部分因為安全問題而終止，導致了在臨床研究中大量的資金浪費，而分子成像技術的問世，為解決這一難題提供了廣闊的空間，將使藥物在臨床前研究中通過利用分子成像的方法，獲得更詳細的分子或基因述水平的數據，這是用傳統的方法無法了解的領域，所以分子成像將對新藥研究的模式帶來革命性變革。其次，在轉基因動物、動物基因打靶或制藥研究過程中，分子成像能對動物的性狀進行跟蹤檢測，對表型進行直接觀測和（定量）分析；

2. 分類
分子成像技術主要分為光學成像、核素成像、磁共振成像和超聲成像、CT成像五大類。

2－1 光學成像
活體動物體內光學成像(Optical in vivo Imaging)主要采用生物發光（bioluminescence）與熒光（fluorescence）兩種技術。生物發光是用熒光素酶(Luciferase)基因標記細胞或DNA，而熒光技術則采用熒光報告基團（GFP、RFP, Cyt及dyes等）進行標記。利用一套非常靈敏的光學檢測儀器，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。傳統的動物實驗方法需要在不同的時間點宰殺實驗動物以獲得數據, 得到多個時間點的實驗結果。相比之下，可見光體內成像通過對同一組實驗對象在不同時間點進行記錄，跟蹤同一觀察目標（標記細胞及基因）的移動及變化，所得的數據更加真實可信。另外, 這一技術對腫瘤微小轉移灶的檢測靈敏度極高，不涉及放射性物質和方法, 非常安全。 因其操作極其簡單、所得結果直觀、靈敏度高等特點, 在剛剛發展起來的幾年時間內，已廣泛應用于生命科學、醫學研究及藥物開發等方面。
乳動物生物發光，是將Fluc基因整合到細胞染色體DNA上以表達熒光素酶，當外源（腹腔或靜脈注射）給予其底物熒光素(luciferin)，即可在幾分鐘內產生發光現象。這種酶在ATP及氧氣的存在條件下，催化熒光素的氧化反應才可以發光，因此只有在活細胞內才會產生發光現象，并且光的強度與標記細胞的數目線性相關。對于細菌，lux操縱子由編碼熒光素酶的基因和編碼熒光素酶底物合成酶的基因組成，帶有這種操縱子的細菌會持續發光，不需要外源性底物。

基因、細胞和活體動物都可被熒光素酶基因標記。標記細胞的方法基本上是通過分子生物學克隆技術, 將熒光素酶的基因插到預期觀察的細胞的染色體內，通過單克隆細胞技術的篩選, 培養出能穩定表達熒光素酶的細胞株。目前, 常用的細胞株基本上都已標記好, 市場上已有銷售。 將標記好的細胞注入小鼠體內后, 觀測前需要注射熒光素酶的底物—熒光素，為約280道爾頓的小分子。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熒光素酶標記的細胞發光30-45分鐘。每次熒光素酶催化反應只產生一個光子，這是肉眼無法觀察到的，應用一個高度靈敏的制冷CCD相機及特別設計的成像暗箱和成像軟件，可觀測并記錄到這些光子。