活体成像在药物研发中的作用

活体成像在药物研发中的作用。随着生物医学研究的不断深入，药物研发领域迎来了前所未有的挑战与机遇。传统的药物研发流程耗时长、成本高，且成功率较低。为了提高研发效率，降低研发成本，科学家们不断探索新的技术和方法。其中，活体成像技术以其独特的优势，在药物研发中发挥着日益重要的作用。本文将深入探讨活体成像技术的基本原理、分类以及在药物研发中的具体应用。

一、活体成像技术概述

活体成像技术（in vivo imaging technique）是指在不对实验动物造成伤害的前提下，应用影像学方法，利用灵敏的光学检测仪器对活体状态下的生物过程进行细胞和分子水平的定性和定量研究的技术。该技术能够非侵入式、直观地观测活体动物体内肿瘤的生长、转移、疾病的发展过程、基因的表达变化等生物学过程，实现对同一实验对象不同时间点各种生物学行为进行跟踪观察。

（一）实验原理

光学原理

光在哺乳动物组织内传播时会被散射和吸收，光子遇到细胞膜和细胞质时会发生折射现象。不同类型的细胞和组织吸收光子的特性并不一样。在偏红光区域，大量的光可以穿过组织和皮肤而被检测到。在相同的深度情况下，检测到的发光强度和细胞的数量具有非常好的线性关系。可见光体内成像技术的基本原理在于光可以穿透实验动物的组织并且可由仪器量化检测到的光强度，同时反映出细胞的数量。

标记原理

目前活体成像技术主要采用生物发光（Bioluminescence）与荧光（Fluorescence）两种技术。

生物发光技术：在哺乳动物体内，将荧光素酶（Luciferase）基因标记细胞或者DNA，即将荧光素酶基因整合到细胞染色体DNA上以表达荧光素酶。当外源（腹腔或静脉注射）给予其底物荧光素（luciferin），即可在几分钟内产生发光现象。这种酶在ATP及氧气的存在条件下，催化荧光素的氧化反应才可以发光，因此只有在活细胞内才会产生发光现象，并且光的强度与标记细胞的数目线性相关。

荧光技术：应用荧光蛋白（如GFP、RFP、Mcherry等）标记细胞或是蛋白等研究对象。荧光发光是通过激发光激发荧光基团到达高能量状态，而后产生发射光。

（二）实验步骤

以生物发光成像为例，实验步骤主要包括细胞标记、构建动物模型和活体成像三个环节。

细胞标记：通过分子生物学克隆技术，将荧光素酶的基因插到预期观察的细胞的染色体内，通过单克隆细胞技术的筛选，培养出能稳定表达荧光素酶的细胞株。

构建动物模型：根据实验目的选择尾静脉注射、皮下移植、原位移植等方法接种已标记的细胞。

活体成像：小鼠经过麻醉后放入成像暗箱平台，软件控制平台的升降到一个合适的视野，自动开启照明灯拍摄第一次背景图。然后自动关闭照明灯，在没有外界光源的条件下拍摄由小鼠体内发出的光，即为生物发光成像。与第一次的背景图叠加后可以清楚地显示动物体内光源的位置，完成成像操作。之后利用软件完成图像分析过程。

二、活体成像在药物研发中的应用

活体成像技术在药物研发中的应用广泛，涵盖了药效学评价、药物动力学研究、药物毒性评价等多个方面。

（一）药效学评价

抗肿瘤药物药效学评价

抗肿瘤药物药效学评价是小动物光学成像技术的基础应用之一。利用荧光素酶标记肿瘤细胞，并移植入动物体内建立肿瘤疾病动物模型，给药后应用小动物活体光学成像技术观测肿瘤光学信号随时间的变化情况，进而评价不同药物、特定的给药途径、时间、剂量等给药策略对于肿瘤的治疗效果。例如，通过标记MDA-MB-435乳腺癌细胞株，建立肾包膜肿瘤模型，对PD-0332991（PD-991）、阿瓦斯汀（Avastin）、多西他赛（docetaxel, TXT）的抗肿瘤效果进行评价，结果显示30 mg/kg的多西他赛对肿瘤的生长抑制效果最好。

抗感染药物药效学评价

在抗感染药物研发中，活体成像技术同样发挥着重要作用。例如，通过标记耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌建立腹腔炎小鼠模型，应用不同抗生素治疗腹腔炎小鼠，通过活体成像技术观测生物发光强度的变化，从而评价不同抗生素的杀菌活性。研究发现，达托霉素相较于其他抗生素，如萘夫西林、万古霉素、利奈唑胺等，显示出更强和更快的杀菌活性，对腹腔炎的治疗效果更显著。

其他疾病治疗药物药效学评价

除了抗肿瘤和抗感染药物，活体成像技术还可用于其他疾病治疗药物的药效学评价。例如，通过标记人乳头瘤病毒建立皮肤感染模型，评价不同疫苗对病毒的抑制效果；通过标记寄生虫观测其在活体动物体内的感染情况，为开发有效药物提供依据。

（二）药物动力学研究

药物动力学研究是药物研发中不可或缺的一环。活体成像技术可以帮助了解新药在体内的吸收、分布、代谢和排泄过程。例如，通过荧光染料标记药物本身，追踪荧光信号在动物体内的分布变化，从而研究药物的靶向性及代谢情况。在研究抗体或多肽类药物是否能够有效靶向肿瘤的实验中，可以利用荧光染料标记目标抗体或多肽，经尾静脉注射后，利用小动物活体光学成像系统观测药物的肿瘤靶向性。

（三）药物毒性评价及毒理机制研究

药物毒性评价及毒理机制研究是保障药物安全性的重要环节。活体成像技术可以在不牺牲实验动物的前提下，持续、纵向地监测药物对实验动物的影响，从而评价药物的毒性及毒理机制。例如，通过标记特定细胞或组织，观测药物对其形态、功能等方面的影响，为药物的安全性评价提供重要依据。

三、活体成像技术的优势与挑战

（一）优势

非侵入性

活体成像技术能够在不损伤动物的前提下进行观测，避免了传统方法可能带来的伤害和干扰。

直观性

通过图像化的方式展示生物过程，使实验结果更加直观、易于理解。

灵敏度高

能够检测到微弱的生物发光或荧光信号，提高实验的灵敏度和准确性。

可重复性

实验步骤标准化，结果可重复性好，有助于不同实验之间的比较和验证。

（二）挑战

成像深度有限

由于光在生物组织中的散射和吸收作用，活体成像技术的成像深度有限，难以对深层组织进行清晰成像。

标记物的选择

标记物的选择对实验结果有重要影响。不同的标记物具有不同的特性和适用范围，需要根据实验目的和条件进行选择。

数据分析复杂

活体成像技术产生的数据量巨大且复杂，需要借助专业的软件进行分析和处理。

活体成像技术在药物研发中发挥着日益重要的作用。通过非侵入式、直观地观测活体动物体内的生物学过程，该技术为药效学评价、药物动力学研究、药物毒性评价等提供了有力支持。然而，该技术也面临着成像深度有限、标记物选择、数据分析复杂等挑战。未来，随着技术的不断发展和完善，活体成像技术有望在药物研发领域发挥更加广泛和深入的作用。例如，通过与其他成像技术（如MRI、CT、PET等）的结合使用，实现功能性成像与结构性成像的结合，为药物研发提供更加全面和准确的信息。同时，随着纳米技术和生物技术的不断发展，新的标记物和成像方法不断涌现，也将为活体成像技术在药物研发中的应用带来新的机遇和挑战。