一、 技術簡介

活體生物熒光成像技術(in vivo bioluminescence imaging)是近年來發展起來的一項分子、基因表達的分析檢測系統。它由敏感的CCD及其分析軟件和作為報告子的熒光素酶(luciferase)以及熒光素(luciferin)組成。利用靈敏的檢測方法，讓研究人員能夠直接監控活體生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。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。


二、 原理

活體生物熒光成像技術是指在小的哺乳動物體內利用報告基因-熒光素酶基因表達所產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發生氧化反應, 將部分化學能轉變為可見光能釋放。然后在體外利用敏感的CCD設備形成圖像。熒光素酶基因可以被插入多種基因的啟動子(promoter), 成為某種基因的報告基因, 通過監測報告基因從而實現對目標基因的監測。

生物熒光實質是一種化學熒光,螢火蟲熒光素酶在氧化其特有底物熒光素的過程中可以釋放波長廣泛的可見光光子, 其平均波長為560 nm(460-630 nm), 這其中包括重要的波長超過600 nm的紅光成分。 在哺乳動物體內血紅蛋白是吸收可見光的主要成分, 能吸收中藍綠光波段的大部分可見光; 水和脂質主要吸收紅外線, 但其均對波長為590-800 nm的紅光至近紅外線吸收能力較差, 因此波長超過600 nm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被敏感的CCD camera檢測到。

三、技術優勢

1．無創傷性;

2．可多次重復在不同時間點檢測;

3．快速掃描成像(時間少于5 min);

4．可以使實驗動物整體成像;

5．同一實驗動物體內獲得全部時間點的整體數據,用極少的實驗動物而迅速獲得更全面的數據,大大地節省了時間及經費,減少了不同實驗動物之間的個體差異。

四、應用

1． 在腫瘤方面的應用

它可以快速的測量各種癌癥模型中腫瘤的生長, 并可對癌癥治療中癌細胞的變化進行實時觀測評估; 可以無創傷地定量檢測小鼠整體的原位瘤、轉移瘤及自發瘤。如Hollingshead 等利用人類膠質瘤細胞系U251構建U251-HRE細胞, 其中的熒光素酶基因表達受可誘導啟動子的操控, 低氧狀態為其誘導條件, 因此在細胞處于低氧狀態下熒光素酶基因開始表達. 將此腫瘤細胞sc于裸鼠體內, 腫瘤增殖早期并無明顯熒光素酶表達, 當腫瘤達到了300-500 mg時, 局部組織出現低氧狀態, 此時可監測到熒光素酶顯著表達. 這種方法不僅僅監測腫瘤本身, 更重要的是可以監測腫瘤細胞所處的微環境.

2． 在監測感染和炎癥方面的應用

熒光素酶基因標記病毒和細菌, 利用活體生物熒光成像技術可以檢測到，并能連續觀察其對機體的侵染過程以及抗病毒藥物和抗生素對其病理過程的影響。如Contag et 等用細菌熒光素酶標靶沙門菌, 并用活體生物熒光成像追蹤細菌感染.。

3． 活體生物熒光成像技術和細胞示蹤

活體生物熒光成像技術還可應用到免疫細胞、干細胞、細胞凋亡等研究領域.。如Costa 等通過活體生物熒光成像可以追蹤到T淋巴細胞聚集于中樞神經系統。

五、生產廠家

1．美國KODAKImage Station In-Vivo FX多功能活體成像系統

1．1簡介：該系統采用了Kodak公司科研級的超高靈敏度4百萬象素冷CCD，高安全標準的X-光模塊，以及專利的放射性同位素磷屏等技術，實現了化學發光、全波長范圍熒光、放射性同位素以及X-光等的多功能檢測功能。友好的動物樣品室的設計方便了活體動物標本的成像操作，是目前市場上最適合與做活體成像研究的強力工具。

1．2技術參數

 2048×2048象素、16位制冷CCD相機

 可控強度X-光模塊

 外置150瓦高強度鹵鎢燈光源

 5位置激發光濾光片輪，標配4個可選波長激發光濾光片

 4位置發射光濾光片輪，標配4個可選波長發射光濾光片

 X-光磷屏

 放射性同位素磷屏

 動物樣品室

 Kodak MI分子成像分析軟件(3用戶)

 一年免費維修服務。



2．美國精諾真（Xengon）活體動物體內成像系統

技術優勢：

a) 高靈敏度：精諾真活體成像技術可檢測到實驗動物體內少至幾百個細胞的腫瘤病灶. 目前采用的其它檢測方法的檢測極限是直徑1mm左右的腫瘤，大約由10的6次方 或10的7次方個細胞組成. 精諾真活體成像技術與傳統技術相比，靈敏度提高了幾千倍。

b) 高通量：不再需要處死小鼠，解剖，染色，病理分析等實驗過程。精諾真成像系統操作簡單，任何一個實驗室人員都可使用。一天時間就可以檢測幾百只實驗動物，立刻得到實驗數據，使制藥企業進行大規模, 高通量動物研究成為現實。

c) 定量結果：實驗結果以靶細胞單位時間內發射光子數的絕對量表示，它與標記的靶細胞數量或基因表達情況直接線性相關。利用精諾真活體成像技術可以精確地定量分析藥效, 藥理, 及毒理結果。

d) 自身對照：利用在不同的時間點觀察同一只動物得到的實驗結果，可以更好地了解疾病病理，藥物動力學及發生在活體動物體內的其它生物學和藥理過程。高效率的藥物篩選模型使研究人員能在動物試驗階段收集更多的數據。通過增加實驗數據的時間過程，精諾真技術能夠更加準確和定量地檢測出藥物與正常或病理過程之間的關系。

e) 動物疾病模型：利用可發光轉基因動物技術, 精諾真公司構建和提供各種腫瘤, 藥理和毒理研究, 代謝, 內分泌, 過敏性, 免疫性疾病, 以及其它多種疾病的動物模型。這些動物模型已被國際制藥公司和生物技術公司廣泛應用于藥物的研發和報批過程中. 2005年4月的自然雜志(Nature Review)還專門對此技術的應用進行了詳細的評述。

f) 成熟和普遍認可的技術：利用精諾真體內成像技術, 在歐美已有幾百篇發表在高級別雜志上的文章。 大部分的制藥企業已利用這項技術進行藥物開發, 在對FDA的新藥申報和FDA藥物批準文件中采用這種技術作為動物研究的主要手段。包括Novartis, Pfizer, Merck, Bayer, BMS, Chiron, Biogen, and GSK, 等等。


六、前景

活體動物熒光成像技術讓研究人員能夠觀察活體動物體內的基因表達和細胞活動，是將分子及細胞生物學技術從體外研究發展到活體動物體內的強有力手段，正在被越來越廣泛地應用于醫學及生物學研究領域。由于其檢測靈敏度極高，且操作簡單，費用相對低廉，因此在生物科學研究領域有著廣闊的應用空間。