小動物體內可見光三維成像技術研究進展
文章編號 ：1004-0374(2008)04-0000-06
小動物體內可見光三維成像技術研究進展
楊華瑜1，韓 彧2，董洪瑩2，趙春林2*
(1 中國醫學科學院 中國協和醫科大學 北京協和醫院 肝臟外科， 北京 100730；
2 北京龍脈得- 冷泉港生物技術有限公司， 北京 100084)
摘 要：活體動物體內可見光成像是采用生物發光和熒光為標記物，利用靈敏的儀器來監控活體動物體內的細胞活動、蛋白表達情況和基因行為。近年來，可見光成像在生物醫學的各個方面得到了廣泛的應用。隨著成像技術和檢測儀器的不斷發展，現已從平面二維成像逐漸發展為立體三維成像。 三維成像技術在靶點的空間定位、與器官的關系，及絕對定量方面都有了很大的進展。 本文就三維成像技術的原理、應用和發展前景進行了簡要的綜述。
關鍵詞：體內光學成像；三維活體成像；生物發光；熒光；腫瘤轉移
中圖分類號：R445.1; Q631.11 文獻標識碼：A
Current developments of 3-D optical in vivo imaging technology in animal
YANG Hua-yu1, HAN Yu2, DONG Hong-ying2, ZHAO Chun-lin2*
(1Department of Liver Surgery, PUMCH, CAMS, Beijing 100730, China;
2Longmed, Inc/CS-Biotech, Inc., Beijing 100084, China)
Abstract: Bioluminescence and fluorescence have been proved to be a versatile and useful tool for animal in vivoimaging. Optical imaging employs sensitive instrument to monitor the activities of cell, protein and gene in vivo.It has been used widely in biomedical research and drug discoveries. With the recent development of the technology and instruments, the 2Dimentional imaging has developed to 3Dimential imaging in vivo. 3-D imaging will provide researchers not only detailed spatial information of the targets, its relationship with animal organs, but more quantitative results in vivo. This paper reviews of the current principles, developments and applications of the 3-D optical in vivo imaging technologies.
Key Words: animal imaging; in vivo optical imaging; 3-Dimentional bioluminescence; fluorescence; tumor
metastasis
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)兩種技術標記細胞、蛋白質或DNA，利用一套非常靈敏的光學檢測儀器，直接監控活體生物體內的細胞活動、蛋白表達情況和基因行為。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, 這一技術最大的特點就是其極高的靈敏度，對腫瘤微小轉移灶的檢測靈敏度極高，可以檢測到體內幾百個標記的細胞。并且，這個技術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[1-4]。僅僅近兩年在Nature和Science 雜志上就有四十多篇的論文在各個領域及各種方式應用到了這個技術[5-8]，文獻[9,10]對該技術有詳細的介紹。
目前，活體動物體內光學成像技術主要停留在二維成像基礎上，在實際應用中面臨許多新的挑戰，例如，僅能確定發光信號在體內的二維平面信息，無法確定發光信號位于體內的深度，無法準確定位發光信號與動物器官的直接關系，即無法實現三維成像。光子在組織內被吸收和分散；CCD 鏡頭采集到的信號強弱有賴于信號源的深度；僅僅憑借光的強度和其表面圖像無法判斷標記物的絕對數量和其深度，因而出現使用二維成像技術所獲得的圖像中，動物背側和腹側成像得到的結果有很大區別。最近一年來，這個技術最令人矚目的一項進展就是從二維成像拓展到三維成像。本文就小動物體內可見光的三維成像技術的原理和應用進行詳細的分析。
1 概述
三維成像對于二維成像技術的優勢自然不必多說，一個非常接近的例子就是CT 與X-Ray 成像的區別。尤其當利用可見光成像時，因為可見光穿透性的限制，透過動物體內時，又有不可避免的折射和散射，即使對同一只老鼠成像時，在腹部和背部成像的結果可能有很大的區別。沒有三維成像技術，很難對結果做出滿意的解釋(圖1)。
目前，對于動物體內可見光三維成像技術有兩個方向已經得到實施，它們分別是多角度掃描技術和單角度三維成像技術。單角度三維成像技術又分為層析成像技術(diffuse luminescent image tomography,DLIT)和透視成像技術(fluorescence luminescent imagetomography，FLIT )。前者應用于生物發光的三維成像；后者應用于熒光的三維成像。
1.1 多角度掃描技術 多角度掃描技術是比較傳統的三維成像技術, 也是研究人員比較熟悉的一個技術。該技術的原理與CT 及PET 等其他三維成像技術很類似。它對小鼠不同的角度進行二維成像，然后將這些不同角度的二維圖像用軟件合成構建成三維圖像(圖2)。
因為生物發光成像的檢測需要很靈敏的CCD鏡頭，其對環境溫度要求達到-90℃。利用這個原理的儀器往往CCD鏡頭是固定的，而將小動物平臺環繞檢測鏡頭一周成像。 這種技術的優勢是分辨率相對較高，原理簡單，容易理解。 但是這種成像的時間要求較長，需要20 － 30min。 并且，每次只能成像一只小鼠，在通量上有一定局限性。 這種技術在可見光成像中的應用并不普遍，往往只是在利用其他高通量檢測技術發現到一個特別感興趣的小鼠后， 需要詳細研究時， 才采取這個技術。XENOGEN公司的IVIS 3D即采用此種技術進行生物發光的三維成像。
1.2 單角度三維成像技術 單角度三維成像技術是相對于多角度掃描技術而命名的，是利用不同波長的光對動物組織的穿透性不同這一特性(例如紅光在體內的穿透性遠遠大于綠光)。采用不同的濾光片在560 － 660nm獲得多個(至少二個)波長的圖像信息。舉個例子：綠光波長較紅光波長短，相對更難穿透組織。假設可見光標記的靶點在體外發出的光中，綠光與紅光的強度是1:1，若得到的圖像中，綠光與紅光得到的信號強度接近1:1，則發光信號在體內的位置很淺。 但是若得到的圖像中，綠光與紅光得到的信號強度為1:4 時，則證實發光信號在組織中所處的位置較深，這是因為綠光的衰減遠遠大于紅光。通過這種原理，在獲取這些信息后采用專門的重建算法，估算出靶點的深度，模擬出的三維圖像。此技術的關鍵點是重建算法，常用的重建算法早已應用在地球物理領域，用于地震檢測。盡管是通過算法重建估算出靶點深度，但所得數據仍是十分可靠的，其誤差可以控制在10% 以內。體內可見光層析成像技術，是由XENOGEN公司自主設計開發的，用于生物發光標記的動物，特別適合動物組織的光學特性。模擬程度和真實解剖獲得的數值十分接近，在動物成像領域屬于領先地位，暫時無其他方法可達到此水平。測試時其首先使用結構光源(structured light)獲得動物表面拓撲圖像，得到動物外表的三維成像。之后使用軟件控制濾鏡組的轉動，在560 － 660nm 之間獲得不同波長下的圖像，如圖3 所示，560nm時信號較弱；580nm時有所增加；600nm時信號最強，這是因為較長波長的光在動物體內的穿透性較強。標記的靶點在體內越深，短波長的信號衰減越多，長波長的信號相對衰減較小。兩者強度的比例變化同標記靶點在體內的深度直接相關。根據不同波長的光衰減的不同，通過軟件計算出靶點信號的深度，再結合表面拓撲圖像得到的小動物形狀，構建出小動物體內的三維圖像。擁有了靶點在動物體內的深度信息，就可以計算出信號在體內的衰減。所以，這種方法得到的圖像不僅可以測量圖像中任意兩點之間的距離，還很好地解決了信號源深度的絕對定量問題。
這種技術的優勢在于可以快速、高通量地進行三維成像， 是目前主要的可見光三維成像技術。XENOGEN 公司的IVIS 200 和IVIS Spectrum采用了此種技術進行生物發光的三維成像。
熒光透視成像技術(fluorescence luminescent imagetomography，FLIT ) 又稱為穿透性熒光三維成像技術，采用激發光從小動物底部激發，穿透小動物后，使用不同波長的濾光鏡從小動物的上部進行光譜采集。這一方式不僅有效地避免了動物皮毛和其他一般組織所產生的非特異性背景熒光對結果的干擾，并且能夠得到熒光標記靶點的體內深度信息。進行測量時首先還是利用結構光源(structured light)獲得動物拓撲表面圖像，之后利用軟件選擇動
物底部的幾個特定點作為穿透性激發光源，使用不同波長的濾光片進行發射光信號的采集。根據不同激發光源位置所得的光譜不同，擴散的大小和方位，以及光強的變化，利用計算機軟件對動物模型的模擬結果，確定出信號源在動物體內的深度信息。結合拓撲表面圖像，利用軟件模擬出小動物體內熒光標記物的三維成像圖( 圖4) 。目前，只有XENOGEN公司的IVIS Spectrum采用了此種技術進行熒光的三維成像。
2 三維成像結果與動物器官的關系
通過DLIT 和FLIT技術可以獲得動物生物發光和熒光的三維成像圖，這一結果是基于和拓撲表面圖像結合的結果，并沒有與動物體內的器官建立相對應的關聯。為了能夠更準確地定位信號源在體內所在的器官，使用不同斷層的病理切片和小鼠不同姿勢的CT 圖譜，建立了數字化的小鼠器官圖。可以將計算好的三維成像圖與器官圖進行擬合，用以確定信號所在的器官位置(圖5)。這種方法的局限在于所有的三維成像圖都和相同的數字器官圖擬合，僅在動物體表面積上有所變化。隨著軟件的進一步發展，可以把三維成像圖與真實老鼠的CT、MRI 所獲得結構性成像疊加，獲得特異性更強的結果。XENOGEN 公司的IVIS 200 及IVIS Spectrum采用了此種方法進行三維成像圖和器官圖的擬合。
3 三維成像在生物學及醫藥研究領域中的應用二維活體光學成像技術在生物醫學中已經得到了廣泛的應用，但是信號的強度、準確的定量以及信號源的強深度都無法通過二維成像得到解決。伴隨著三維成像技術的發展，困擾科研工作者的難題都將迎刃而解，三維成像技術也將越來越多地應用到廣闊的領域中，包括腫瘤微轉移研[11]、流體細胞(干細胞、T 細胞、淋巴細胞等)研究[12]、基因表達研究[13]、病毒和細菌的研究[14]、大分子體內分布和運動等方面。
腫瘤轉移是抗腫瘤研究的一大熱點，光學活體成像技術的發展將其研究推向了新的層面。在使用二維成像技術時僅能得到簡單的信號面積圖像和相應的信號強度。在使用三維成像技術后，可以得到轉移灶所在的準確深度，與器官相應位置結合后可以確定轉移灶的實際方位，使整個研究更具意義。與此同時，由于得到了信號強度的數據，可以據此推算出信號衰減的情況，經過計算后可以得到精確的信號源深度，以此得出確切的腫瘤細胞個數。這一特點可以使得抗腫瘤及抗轉移藥物的藥效評價更加準確。在免疫學研究中，可以通過活體成像技術準確的跟蹤目的細胞(干細胞、T 細胞、淋巴細胞等)在體內的運動規律，或者評價應用免疫細胞進行生物治療后的確切療效。三維成像技術的準確定量功能可以使這些研究得到的結果更具有實際價值。同樣也可對標記有報告基因的微生物(如腺病毒，細菌等)進行示蹤，了解它們在體內傳播的規律以及藥物對它們的作用。還可以應用三維成像技術研究體內大分子(如Ig G、各種蛋白分子等)的運動及其相互作用，能夠獲得比二維成像更多的信息，為很多基礎研究提供了良好的事實依據和驗證平臺�？偠灾�，隨著分子生物學技術的發展和活體成像儀的使用，可見光活體成像技術在腫瘤研究、免疫研究、傳染病研究等醫藥領域將扮演更加重要的角色，可見光三維成像技術作為一種新的成像方法，可以對待測對象進行功能性的定位和定量的評價。隨著這一技術的不斷發展，會進一步突破技術上的難題 (例如確定信號源的形狀)，這將為科研工作者提供巨大的幫助。
[參 考 文 獻]
[1] Blum G, Degenfeld GV, Merchant MJ, et al. Noninvasiveoptical imaging of cysteine protease activity using fluorescently quenched activity-based probes. Nat ChemBiol, 2007, 3(10): 668-77
[2] Lee D, Khaja S, Velasquez-Castano JC, et al. In vivo imagingof hydrogen peroxide with chemiluminescent nanoparticles.Nat Mater, 2007, 6(10): 765-9
[3] Dentin R, Liu Y, Koo SH, et al. Insulin modulates gluconeogenesisby inhibition of the coactivator TORC2. Nature,2007, 449(7160): 366-9
[4] Zhang LM, Lee KC, Bhojani MS, et al. Molecular imaging ofAkt kinase activity. Nat Med, 2007, 13(9): 1114-9
[5] Xue W, Zender L, Miething C, et al. Senescence and tumourclearance is triggered by p53 restoration in murine livercarcinomas. Nature, 2007, 445(7128): 656-60
[6] Wan YY, Flavell RA. Regulatory T-cell functions are subvertedand converted owing to attenuated Foxp3 expression.Nature, 2007, 445(7129): 766-70
[7] Walensky LD, Kung AL, Escher I, et al. Activation ofapoptosis in vivo by a hydrocarbon-stapled BH3 helix. Science, 2004, 305(5689): 1466-70
[8] Negrin RS, Contag CH. In vivo imaging using bioluminescence:a tool for probing graft-versus-host disease. Nat RevImmunol, 2006, 6(6): 484-90
[9] 周 濤,韓 彧,鞏偉麗等.活體動物體內成像技術及其在生物醫學中的應用進展.中國體視學與圖像分析, 2007, 12(1): 69-74
[10] 張 怡,韓 彧,趙春林. 活體動物體內光學成像技術的研究進展.生命科學, 2006, 18(1): 25-30
[11] Gupta GP, Nguyen DX, Chiang AC, et al. Mediators ofvascular remodelling co-opted for sequential steps in lungmetastasis. Nature, 2007, 446(7137): 765-70
[12] Dierks C, Grbic J, Zirlik K, et al. Essential role of stromallyinduced hedgehog signaling in B-cellmalignancies. Nat Med,2007, 13(9): 944-51
[13] Minn AJ, Gupta GP, Siegel PM, et al. Genes that mediatebreast cancer metastasis to lung. Nature, 2005, 436(7050):518-24
[14] Zhang N, Fang ZX, Contag PR, et al. Tracking angiogenesisinduced by skin wounding and contact hypersensitivity usinga Vegfr2-luciferase transgenic mouse. Blood, 2004, 103(2): 617-26
冷泉港/龍脈得生物技術有限公司 趙春林 供稿
Email：adamzhao@cs-biotech.com
010-68080899，68080660
http://www.cs-biotech.com
小動物體內可見光三維成像技術研究進展
楊華瑜1，韓 彧2，董洪瑩2，趙春林2*
(1 中國醫學科學院 中國協和醫科大學 北京協和醫院 肝臟外科， 北京 100730；
2 北京龍脈得- 冷泉港生物技術有限公司， 北京 100084)
摘 要：活體動物體內可見光成像是采用生物發光和熒光為標記物，利用靈敏的儀器來監控活體動物體內的細胞活動、蛋白表達情況和基因行為。近年來，可見光成像在生物醫學的各個方面得到了廣泛的應用。隨著成像技術和檢測儀器的不斷發展，現已從平面二維成像逐漸發展為立體三維成像。 三維成像技術在靶點的空間定位、與器官的關系，及絕對定量方面都有了很大的進展。 本文就三維成像技術的原理、應用和發展前景進行了簡要的綜述。
關鍵詞：體內光學成像；三維活體成像；生物發光；熒光；腫瘤轉移
中圖分類號：R445.1; Q631.11 文獻標識碼：A
Current developments of 3-D optical in vivo imaging technology in animal
YANG Hua-yu1, HAN Yu2, DONG Hong-ying2, ZHAO Chun-lin2*
(1Department of Liver Surgery, PUMCH, CAMS, Beijing 100730, China;
2Longmed, Inc/CS-Biotech, Inc., Beijing 100084, China)
Abstract: Bioluminescence and fluorescence have been proved to be a versatile and useful tool for animal in vivoimaging. Optical imaging employs sensitive instrument to monitor the activities of cell, protein and gene in vivo.It has been used widely in biomedical research and drug discoveries. With the recent development of the technology and instruments, the 2Dimentional imaging has developed to 3Dimential imaging in vivo. 3-D imaging will provide researchers not only detailed spatial information of the targets, its relationship with animal organs, but more quantitative results in vivo. This paper reviews of the current principles, developments and applications of the 3-D optical in vivo imaging technologies.
Key Words: animal imaging; in vivo optical imaging; 3-Dimentional bioluminescence; fluorescence; tumor
metastasis
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)兩種技術標記細胞、蛋白質或DNA，利用一套非常靈敏的光學檢測儀器，直接監控活體生物體內的細胞活動、蛋白表達情況和基因行為。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, 這一技術最大的特點就是其極高的靈敏度，對腫瘤微小轉移灶的檢測靈敏度極高，可以檢測到體內幾百個標記的細胞。并且，這個技術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[1-4]。僅僅近兩年在Nature和Science 雜志上就有四十多篇的論文在各個領域及各種方式應用到了這個技術[5-8]，文獻[9,10]對該技術有詳細的介紹。
目前，活體動物體內光學成像技術主要停留在二維成像基礎上，在實際應用中面臨許多新的挑戰，例如，僅能確定發光信號在體內的二維平面信息，無法確定發光信號位于體內的深度，無法準確定位發光信號與動物器官的直接關系，即無法實現三維成像。光子在組織內被吸收和分散；CCD 鏡頭采集到的信號強弱有賴于信號源的深度；僅僅憑借光的強度和其表面圖像無法判斷標記物的絕對數量和其深度，因而出現使用二維成像技術所獲得的圖像中，動物背側和腹側成像得到的結果有很大區別。最近一年來，這個技術最令人矚目的一項進展就是從二維成像拓展到三維成像。本文就小動物體內可見光的三維成像技術的原理和應用進行詳細的分析。
1 概述
三維成像對于二維成像技術的優勢自然不必多說，一個非常接近的例子就是CT 與X-Ray 成像的區別。尤其當利用可見光成像時，因為可見光穿透性的限制，透過動物體內時，又有不可避免的折射和散射，即使對同一只老鼠成像時，在腹部和背部成像的結果可能有很大的區別。沒有三維成像技術，很難對結果做出滿意的解釋(圖1)。
目前，對于動物體內可見光三維成像技術有兩個方向已經得到實施，它們分別是多角度掃描技術和單角度三維成像技術。單角度三維成像技術又分為層析成像技術(diffuse luminescent image tomography,DLIT)和透視成像技術(fluorescence luminescent imagetomography，FLIT )。前者應用于生物發光的三維成像；后者應用于熒光的三維成像。
1.1 多角度掃描技術 多角度掃描技術是比較傳統的三維成像技術, 也是研究人員比較熟悉的一個技術。該技術的原理與CT 及PET 等其他三維成像技術很類似。它對小鼠不同的角度進行二維成像，然后將這些不同角度的二維圖像用軟件合成構建成三維圖像(圖2)。
因為生物發光成像的檢測需要很靈敏的CCD鏡頭，其對環境溫度要求達到-90℃。利用這個原理的儀器往往CCD鏡頭是固定的，而將小動物平臺環繞檢測鏡頭一周成像。 這種技術的優勢是分辨率相對較高，原理簡單，容易理解。 但是這種成像的時間要求較長，需要20 － 30min。 并且，每次只能成像一只小鼠，在通量上有一定局限性。 這種技術在可見光成像中的應用并不普遍，往往只是在利用其他高通量檢測技術發現到一個特別感興趣的小鼠后， 需要詳細研究時， 才采取這個技術。XENOGEN公司的IVIS 3D即采用此種技術進行生物發光的三維成像。
1.2 單角度三維成像技術 單角度三維成像技術是相對于多角度掃描技術而命名的，是利用不同波長的光對動物組織的穿透性不同這一特性(例如紅光在體內的穿透性遠遠大于綠光)。采用不同的濾光片在560 － 660nm獲得多個(至少二個)波長的圖像信息。舉個例子：綠光波長較紅光波長短，相對更難穿透組織。假設可見光標記的靶點在體外發出的光中，綠光與紅光的強度是1:1，若得到的圖像中，綠光與紅光得到的信號強度接近1:1，則發光信號在體內的位置很淺。 但是若得到的圖像中，綠光與紅光得到的信號強度為1:4 時，則證實發光信號在組織中所處的位置較深，這是因為綠光的衰減遠遠大于紅光。通過這種原理，在獲取這些信息后采用專門的重建算法，估算出靶點的深度，模擬出的三維圖像。此技術的關鍵點是重建算法，常用的重建算法早已應用在地球物理領域，用于地震檢測。盡管是通過算法重建估算出靶點深度，但所得數據仍是十分可靠的，其誤差可以控制在10% 以內。體內可見光層析成像技術，是由XENOGEN公司自主設計開發的，用于生物發光標記的動物，特別適合動物組織的光學特性。模擬程度和真實解剖獲得的數值十分接近，在動物成像領域屬于領先地位，暫時無其他方法可達到此水平。測試時其首先使用結構光源(structured light)獲得動物表面拓撲圖像，得到動物外表的三維成像。之后使用軟件控制濾鏡組的轉動，在560 － 660nm 之間獲得不同波長下的圖像，如圖3 所示，560nm時信號較弱；580nm時有所增加；600nm時信號最強，這是因為較長波長的光在動物體內的穿透性較強。標記的靶點在體內越深，短波長的信號衰減越多，長波長的信號相對衰減較小。兩者強度的比例變化同標記靶點在體內的深度直接相關。根據不同波長的光衰減的不同，通過軟件計算出靶點信號的深度，再結合表面拓撲圖像得到的小動物形狀，構建出小動物體內的三維圖像。擁有了靶點在動物體內的深度信息，就可以計算出信號在體內的衰減。所以，這種方法得到的圖像不僅可以測量圖像中任意兩點之間的距離，還很好地解決了信號源深度的絕對定量問題。
這種技術的優勢在于可以快速、高通量地進行三維成像， 是目前主要的可見光三維成像技術。XENOGEN 公司的IVIS 200 和IVIS Spectrum采用了此種技術進行生物發光的三維成像。
熒光透視成像技術(fluorescence luminescent imagetomography，FLIT ) 又稱為穿透性熒光三維成像技術，采用激發光從小動物底部激發，穿透小動物后，使用不同波長的濾光鏡從小動物的上部進行光譜采集。這一方式不僅有效地避免了動物皮毛和其他一般組織所產生的非特異性背景熒光對結果的干擾，并且能夠得到熒光標記靶點的體內深度信息。進行測量時首先還是利用結構光源(structured light)獲得動物拓撲表面圖像，之后利用軟件選擇動
物底部的幾個特定點作為穿透性激發光源，使用不同波長的濾光片進行發射光信號的采集。根據不同激發光源位置所得的光譜不同，擴散的大小和方位，以及光強的變化，利用計算機軟件對動物模型的模擬結果，確定出信號源在動物體內的深度信息。結合拓撲表面圖像，利用軟件模擬出小動物體內熒光標記物的三維成像圖( 圖4) 。目前，只有XENOGEN公司的IVIS Spectrum采用了此種技術進行熒光的三維成像。
2 三維成像結果與動物器官的關系
通過DLIT 和FLIT技術可以獲得動物生物發光和熒光的三維成像圖，這一結果是基于和拓撲表面圖像結合的結果，并沒有與動物體內的器官建立相對應的關聯。為了能夠更準確地定位信號源在體內所在的器官，使用不同斷層的病理切片和小鼠不同姿勢的CT 圖譜，建立了數字化的小鼠器官圖。可以將計算好的三維成像圖與器官圖進行擬合，用以確定信號所在的器官位置(圖5)。這種方法的局限在于所有的三維成像圖都和相同的數字器官圖擬合，僅在動物體表面積上有所變化。隨著軟件的進一步發展，可以把三維成像圖與真實老鼠的CT、MRI 所獲得結構性成像疊加，獲得特異性更強的結果。XENOGEN 公司的IVIS 200 及IVIS Spectrum采用了此種方法進行三維成像圖和器官圖的擬合。
3 三維成像在生物學及醫藥研究領域中的應用二維活體光學成像技術在生物醫學中已經得到了廣泛的應用，但是信號的強度、準確的定量以及信號源的強深度都無法通過二維成像得到解決。伴隨著三維成像技術的發展，困擾科研工作者的難題都將迎刃而解，三維成像技術也將越來越多地應用到廣闊的領域中，包括腫瘤微轉移研[11]、流體細胞(干細胞、T 細胞、淋巴細胞等)研究[12]、基因表達研究[13]、病毒和細菌的研究[14]、大分子體內分布和運動等方面。
腫瘤轉移是抗腫瘤研究的一大熱點，光學活體成像技術的發展將其研究推向了新的層面。在使用二維成像技術時僅能得到簡單的信號面積圖像和相應的信號強度。在使用三維成像技術后，可以得到轉移灶所在的準確深度，與器官相應位置結合后可以確定轉移灶的實際方位，使整個研究更具意義。與此同時，由于得到了信號強度的數據，可以據此推算出信號衰減的情況，經過計算后可以得到精確的信號源深度，以此得出確切的腫瘤細胞個數。這一特點可以使得抗腫瘤及抗轉移藥物的藥效評價更加準確。在免疫學研究中，可以通過活體成像技術準確的跟蹤目的細胞(干細胞、T 細胞、淋巴細胞等)在體內的運動規律，或者評價應用免疫細胞進行生物治療后的確切療效。三維成像技術的準確定量功能可以使這些研究得到的結果更具有實際價值。同樣也可對標記有報告基因的微生物(如腺病毒，細菌等)進行示蹤，了解它們在體內傳播的規律以及藥物對它們的作用。還可以應用三維成像技術研究體內大分子(如Ig G、各種蛋白分子等)的運動及其相互作用，能夠獲得比二維成像更多的信息，為很多基礎研究提供了良好的事實依據和驗證平臺�？偠灾�，隨著分子生物學技術的發展和活體成像儀的使用，可見光活體成像技術在腫瘤研究、免疫研究、傳染病研究等醫藥領域將扮演更加重要的角色，可見光三維成像技術作為一種新的成像方法，可以對待測對象進行功能性的定位和定量的評價。隨著這一技術的不斷發展，會進一步突破技術上的難題 (例如確定信號源的形狀)，這將為科研工作者提供巨大的幫助。
[參 考 文 獻]
[1] Blum G, Degenfeld GV, Merchant MJ, et al. Noninvasiveoptical imaging of cysteine protease activity using fluorescently quenched activity-based probes. Nat ChemBiol, 2007, 3(10): 668-77
[2] Lee D, Khaja S, Velasquez-Castano JC, et al. In vivo imagingof hydrogen peroxide with chemiluminescent nanoparticles.Nat Mater, 2007, 6(10): 765-9
[3] Dentin R, Liu Y, Koo SH, et al. Insulin modulates gluconeogenesisby inhibition of the coactivator TORC2. Nature,2007, 449(7160): 366-9
[4] Zhang LM, Lee KC, Bhojani MS, et al. Molecular imaging ofAkt kinase activity. Nat Med, 2007, 13(9): 1114-9
[5] Xue W, Zender L, Miething C, et al. Senescence and tumourclearance is triggered by p53 restoration in murine livercarcinomas. Nature, 2007, 445(7128): 656-60
[6] Wan YY, Flavell RA. Regulatory T-cell functions are subvertedand converted owing to attenuated Foxp3 expression.Nature, 2007, 445(7129): 766-70
[7] Walensky LD, Kung AL, Escher I, et al. Activation ofapoptosis in vivo by a hydrocarbon-stapled BH3 helix. Science, 2004, 305(5689): 1466-70
[8] Negrin RS, Contag CH. In vivo imaging using bioluminescence:a tool for probing graft-versus-host disease. Nat RevImmunol, 2006, 6(6): 484-90
[9] 周 濤,韓 彧,鞏偉麗等.活體動物體內成像技術及其在生物醫學中的應用進展.中國體視學與圖像分析, 2007, 12(1): 69-74
[10] 張 怡,韓 彧,趙春林. 活體動物體內光學成像技術的研究進展.生命科學, 2006, 18(1): 25-30
[11] Gupta GP, Nguyen DX, Chiang AC, et al. Mediators ofvascular remodelling co-opted for sequential steps in lungmetastasis. Nature, 2007, 446(7137): 765-70
[12] Dierks C, Grbic J, Zirlik K, et al. Essential role of stromallyinduced hedgehog signaling in B-cellmalignancies. Nat Med,2007, 13(9): 944-51
[13] Minn AJ, Gupta GP, Siegel PM, et al. Genes that mediatebreast cancer metastasis to lung. Nature, 2005, 436(7050):518-24
[14] Zhang N, Fang ZX, Contag PR, et al. Tracking angiogenesisinduced by skin wounding and contact hypersensitivity usinga Vegfr2-luciferase transgenic mouse. Blood, 2004, 103(2): 617-26
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