活体成像的原理和应用

活体成像的原理和应用。活体成像技术是一种非侵入性的生物医学研究工具，能够在细胞和分子水平上应用影像学方法对生物过程和时间上的定性和定量分析。这一技术通过高灵敏度的光学检测仪器，对活体状态下的生物过程进行实时监测，为疾病诊断、药物研发等领域提供了重要的工具。本文将从活体成像的原理和应用两个方面进行介绍。

活体成像的原理

活体成像技术主要包括生物发光（Bioluminescence）与荧光（Fluorescence）、同位素成像（Isotopes）、X光成像（X-ray）等。其中，生物发光技术因其操作简单、反应灵敏，在肿瘤、分子互作及信号传导等研究中得到了广泛应用。

生物发光成像

生物发光技术利用荧光素酶（Luciferase）基因标记细胞或DNA，当外源给予其底物荧光素（Luciferin）时，荧光素酶在ATP及氧气的存在条件下催化荧光素的氧化反应，从而产生发光现象。这种酶只有在活细胞内才会产生发光现象，且发光强度与标记细胞的数目线性相关。

荧光素酶基因标记细胞的方法通常是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。将标记好的细胞注入小鼠体内后，观测前需要注射荧光素酶的底物——荧光素。荧光素脂溶性非常好，很容易透过血脑屏障。注射一次荧光素能保持小鼠体内荧光素酶标记的细胞发光30-45分钟。每次荧光素酶催化反应只产生一个光子，利用生物光学分子成像系统，应用一个高度灵敏的制冷CCD相机及特别设计的成像暗箱和成像软件，可观测并记录到这些光子。

荧光成像

荧光成像则是通过荧光染料标记后，通过激发光和发射光获取成像。常用的荧光报告基团包括绿色荧光蛋白（GFP）、红色荧光蛋白（RFP）等。荧光素被荧光素酶氧化的过程中可以释放波长广泛的可见光光子，其波长范围为460-630nm（平均波长为560nm）。在哺乳动物体内，血红蛋白是吸收可见光的主要成分，能吸收蓝绿光波段中的大部分可见光；水和脂质主要吸收红外线，但其均对波长为590-800nm的红光近红外线吸收能力较差，因此波长超过600nm的红光虽然有部分散射消耗但大部分可以穿透哺乳动物组织而被高灵敏CCD检测到。

活体成像的应用

活体成像技术因其操作极其简单、所得结果直观、灵敏度高等特点，在生命科学、医学研究及药物开发等方面得到了广泛应用。

肿瘤研究

活体成像技术在肿瘤研究中的应用非常广泛，包括肿瘤生长动态观察、抗肿瘤药物疗效评价、转移模型建立等。通过荧光素酶基因标记肿瘤细胞，可以建立各种可视肿瘤模型，实时观察体内肿瘤细胞的增殖、生长、转移情况。这种技术的灵敏度极高，能够检测到微小的肿瘤病灶（少到几百个细胞），比传统方法的检测灵敏度大大提高，避免了因屠杀实验动物而造成的组间差异，节省动物成本。

药物动力学研究

活体成像技术还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，标记与药物代谢有关的基因，研究不同药物对该基因表达的影响，从而间接获知相关药物在体内代谢的情况。在药剂学研究方面，通过把荧光素酶报告基因质粒直接装在载体中，观察药物载体的靶向脏器与体内分布规律。在药理学方面，可用荧光素酶基因标记目的基因，观察药物作用的通路。

免疫细胞研究

活体成像技术还可以用于标记免疫细胞，观察免疫细胞对肿瘤细胞的识别和杀死功能，评价免疫细胞的免疫特异性、增殖、迁移等功能。这对于研究免疫细胞在疾病中的作用具有重要意义。

干细胞研究

在干细胞研究中，活体成像技术可以标记组成性表达的基因，在转基因动物水平标记干细胞。若将干细胞移植到另外动物体内，可用活体生物发光成像技术示踪干细胞在体内的增殖、分化及迁移的过程。这对于研究干细胞的生物学特性及其在疾病治疗中的应用具有重要价值。

基因表达研究

活体成像技术还可以用于研究基因表达模式。将荧光素酶基因插入到目的基因启动子的下游，并稳定整合于实验动物染色体中，形成转基因动物模型。该方式可实现目的基因与荧光素酶的表达平行，从而直接观察目的基因的表达模式，包括数量、时间、部位及影响其表达和功能的因素。这对于研究基因调控机制和疾病发生机制具有重要意义。

感染性疾病模型

活体成像技术还可以用于研究感染性疾病模型，如细菌或病毒感染后病原体在体内的扩散路径及宿主免疫应答。通过标记特定细胞或分子来追踪体内炎症发生位置及其程度变化，有助于了解感染性疾病的发展过程和治疗机制。

神经科学应用

活体成像技术在神经科学研究中也有广泛应用。例如，可以用于脑损伤后修复情况跟踪、神经退行性疾病模型中的病理特征可视化等。通过标记特定神经细胞或分子，可以实时观测神经细胞的生理活动和病理变化，为神经科学研究提供重要工具。

其他应用

此外，活体成像技术还可以用于代谢性疾病模型、心血管疾病模型等领域。例如，在糖尿病、肥胖症等疾病的动物模型中，可以通过该技术监测相关生物标志物的变化；在心肌梗死模型的建立、血管新生过程的研究中，也可以通过该技术实时观测疾病的发展进程和治疗效果。

总结

活体成像技术作为一种在体探测方法，具有连续、快速、远距离、无损伤地获得人体分子细胞的三维图像的优势。它可以揭示病变的早期分子生物学特征，推动了疾病的早期诊断和治疗，也为临床诊断引入了新的概念。随着科学技术的不断发展，活体成像技术将在生命科学、医学研究及药物开发等领域发挥越来越重要的作用。