小动物活体成像系统成像模式对比

在生命科学研究的众多领域中，小动物活体成像系统扮演着至关重要的角色。这一技术为科研人员提供了一种在活体状态下，对小动物体内的生物学过程和疾病发展动态进行实时、非侵入性观察和分析的手段。小动物活体成像系统具备多种成像模式，每种模式都有其独特的原理、优势、不足以及特定的应用场景。深入对比这些成像模式，有助于科研人员根据研究需求选择最合适的成像技术，从而推动生命科学研究的进展。

一、可见光成像模式

（一）生物发光成像

生物发光成像利用荧光素酶基因标记细胞或DNA，当荧光素酶与相应底物发生氧化反应时，会产生光信号。这种成像技术具有背景噪音低、图像清晰、灵敏度高的特点，能够准确地定位发光位点。由于生物发光信号来源于生物体内的自发反应，因此不需要外界激发光源，避免了激发光对生物样本的干扰。

生物发光成像尤其适合于肿瘤细胞和其他类细胞的研究。例如，在肿瘤研究领域，科研人员可以利用该技术无创地定量检测小动物整体的原位瘤、转移瘤及自发瘤的大小及转移情况。通过标记肿瘤细胞，使其成为发光源，接种到活体动物体内后，随着肿瘤细胞的增多，发光信号逐渐增强。科研人员可以通过观察发光信号的变化，实时监测肿瘤的生长和转移过程，为肿瘤的诊断和治疗提供重要依据。然而，生物发光成像也存在一定的局限性。荧光素酶-荧光素反应会使荧光素酶高表达的肿瘤生长受到抑制，这可能与反应后ATP水平下降、副产物的形成以及缺氧有关。此外，生物发光成像属于二维平面成像，不能进行绝对定量，这在一定程度上限制了其在某些研究中的应用。

（二）荧光成像

荧光成像采用荧光染料或荧光蛋白等荧光标记物质，在特定波长光的激发下发出特定波长的荧光信号。与生物发光成像不同，荧光成像需要外界激发光源的激发。该技术具有多种荧光报告基因和荧光染料可供选择，如绿色荧光蛋白、红色荧光蛋白、FITC、Cy5、Cy7等，能够满足不同的研究需求。

荧光成像的优势在于其使用低能量、无辐射，对信号检测灵敏度高，可以实时监测标记的活体生物体内的细胞活动和基因行为。它被广泛应用到监控转基因的表达、基因治疗、感染的进展、肿瘤的生长和转移、器官移植、毒理学、病毒感染和药学研究中。例如，在神经科学研究领域，科研人员可以利用荧光成像技术标记神经细胞，观察神经细胞的形态、分布和功能变化，研究神经退行性疾病的发病机制。然而，荧光成像同样存在二维平面成像、不能绝对定量的问题。而且，动物的毛发、体内食物等产生的自发荧光会降低荧光的信噪比，减弱成像的灵敏度，从而影响成像效果。为了克服这些问题，科研人员可以采用无荧光素鼠粮饲养小鼠、剃去小鼠毛发等方法减少自发荧光，也可以利用成像系统通过软件处理除去荧光信号。

二、核素成像模式

（一）PET成像

正电子发射断层成像技术（PET）利用放射性核素作为示踪剂，对研究对象进行标记，并进行活体成像。其成像原理是利用医用回旋加速器发生的核反应，生产正电子放射性核素，通过有机合成、无机反应或生化合成制备各种正电子显像剂或示踪物质。显像剂引入体内定位于靶器官后，利用PET显像仪采集信息，显示不同断面图并给出定量生理参数。

PET成像具备优异的特异性、敏感性和能定量示踪标记物的特点。所使用的放射性核素多为动物生理活动需要的元素，因此不影响其生物学功能，放射性标记物进入动物体内后，能够聚集在特定的组织器官或参与组织细胞的代谢。此外，PET使用的放射性核素半衰期超短，一般在十几分钟到几小时，适合于快速动态研究，如11C、15O、3N等，半衰期在20min以内。

然而，PET成像也面临一些挑战。空间分辨率和系统绝对灵敏度是影响PET图像质量的重要指标，但分辨率和灵敏度却又是一对矛盾体，需要系统综合的设计考虑。尽管如此，基于其巨大的应用潜能，PET成像必将成为药物的寻找和开发、以动物模型模拟人类疾病揭示疾病的生化过程、研究活体动物基因表达显像以及其他生物医学领域的重要方法。

（二）SPECT成像

单光子发射断层成像技术（SPECT）与PET成像类似，都属于核医学的显像技术，都利用放射性核素的示踪原理进行显像。但SPECT使用长半衰期的放射性同位素，不需要回旋加速器。常使用的放射性核素不是生理性元素，如99mTc、111In、123I和67Ga等，这些放射性核素的半衰期从6h到3天，通常较PET使用的放射性核素半衰期长。

SPECT成像的不足在于单光子SPECT的灵敏度、分辨率、图像质量及定量准确性较PET差。但随着技术的发展，特别是新探测器的发展，有望将SPECT的敏感度提高到PET水平。由于SPECT不依赖回旋加速器，且放射线示踪剂种类不断增加，因此具有很大的应用前景。它可以用于监视生理功能、示踪代谢过程和定量受体密度等，在生命科学研究中发挥着重要的作用。

三、计算机断层摄影成像（CT）模式

CT属于解剖学成像，目前的小动物CT系统大多数采用高分辨大矩阵平板探测器和微焦点X射线机的CBCT三维重建技术，能够在短时间内实现小型啮齿动物（小鼠或大鼠）活体状态下的结构成像。部分小动物CT系统采用小焦点X光机，能够进行离体动物组织、生物材料等样品的无损三维检测。

小动物CT设备在小动物骨和肺部组织检查等方面具有独特的优势。对于骨的研究，如果在小梁水平上分析，一般要求空间分辨率较高，通常在15μm以内；活体小动物的肺部组织检查时，空间分辨率在50—200μm即可，呼吸门控技术的加入也有助于图像伪影的消除。然而，CT成像对于血管、内脏等软组织成像需要借助造影剂增强对比观察。

小动物CT的应用领域广泛，主要包括骨研究（如骨小梁）、肺部组织、生物材料（如仿生材料生物支架的孔隙率、强度等）、疾病机制研究（如疾病状态对骨骼发育、修复的影响）、新药开发（如骨质疏松症及疗效评价）等。它主要是对活体小动物的硬组织和相关软组织的扫描成像分析，集中于骨领域研究。目前，一些新型的造影剂也逐步应用于小动物CT的研究，相对于临床上的传统碘剂造影剂，这些新型造影剂的特点是时程长、与周围组织的对比明显，通常用于活体小动物的血管造影和连续观察。

四、磁共振成像（MRI）模式

MRI是依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，而绘制出物体内部的结构图像。它通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此绘制成物体内部的结构图像。

MRI相对于CT具有无电离辐射性（放射线）损害、高度的软组织分辨能力、无需使用对比剂即可显示血管结构等独特优点。对于核素和可见光成像，小动物MRI的优势是具有微米级的高分辨率及低毒性。在某些应用中，MRI能同时获得生理、分子和解剖学的信息，这些正是核医学、光学成像的弱点。因此，对于小动物研究，小动物MRI是一个功能强大、多用途的成像系统。

然而，MRI的敏感性较低（微克分子水平），与核医学成像技术的纳克分子水平相比，低几个数量级。所以小动物MRI设备不是最理想的成像系统。但随着多模式平台的发展，如小动物MRI/PET，可以从一个仪器中得到更全面的信息，弥补了单一成像模式的不足。

五、超声成像模式

超声成像基于声波在软组织传播而成像，由于无辐射、操作简单、图像直观、价格便宜等优势在临床上广泛应用。在小动物研究中，超声成像主要应用于生理结构易受外界影响的膀胱和血管。

然而，超声成像在小动物研究中的应用受到一定限制。由于所达到组织深度的限制和成像的质量容易受到骨或软组织中的空气的影响而产生假象，所以超声不像其他动物成像技术那样应用广泛。例如，在对小动物的心脏进行成像时，骨骼和肺部组织可能会对超声信号产生干扰，影响成像的准确性。

六、多模态成像模式

传统的形态学成像技术，如CT、MRI和超声等有较高的空间分辨率，但它们的共同缺点是直到组织结构变化才能检测到疾病，即对疾病的敏感性较低，而这时疾病通常已到中晚期。功能成像技术，如可见光成像、核素成像则能通过分子和细胞的变化检测到疾病，例如肿瘤在导致组织结构变化之前就可通过核素成像被检测到，但功能成像技术的空间分辨率较低，结构信息不足。

多模态成像模式结合了不同成像模式的优势，能够提供更全面、准确的信息。例如，将小动物MRI与PET结合，可以从一个仪器中同时获得生理、分子和解剖学的信息，以及定量的生理参数，为疾病的研究和诊断提供更强大的工具。多模态成像模式的发展是未来小动物活体成像技术的重要方向，它将有助于科研人员更深入地了解生物体内的复杂过程，推动生命科学研究的不断发展。

小动物活体成像系统的各种成像模式各有优劣。科研人员在进行研究时，应根据具体的研究目的、研究对象和研究条件，选择合适的成像模式，或者结合多种成像模式，以获得更准确、全面的研究结果。随着技术的不断进步，小动物活体成像技术将在生命科学研究中发挥越来越重要的作用。