活体成像技术如何监测细胞迁移

活体成像技术如何监测细胞迁移。活体成像技术是一种在不损伤动物的前提下，利用影像学方法直接监控活体生物体内的细胞活动和基因行为的技术。该技术通过非常灵敏的光学检测仪器，能够在组织、细胞和分子水平上对生物过程进行定性和定量研究。活体成像技术不仅广泛应用于生命科学、医学研究，还在药物开发等领域发挥着重要作用。本文将重点探讨活体成像技术如何监测细胞迁移，并详细解析其原理、实验方法及应用。

活体成像技术原理

光学原理

活体成像技术基于光在哺乳动物组织内传播时会被散射和吸收的原理。光子遇到细胞膜和细胞质时会发生折射现象，而且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

活体成像技术主要采用生物发光（Bioluminescence）与荧光（Fluorescence）两种技术。生物发光技术是在哺乳动物体内，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）时，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。

荧光技术则采用荧光报告基团（如GFP、RFP、Mcherry等）对细胞或蛋白进行标记。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。常用的有绿色荧光蛋白（GFP）、红色荧光蛋白DsRed及其它荧光报告基团，标记方法与体外荧光成像相似。

活体成像技术监测细胞迁移的实验方法

实验步骤

细胞标记：通过分子生物学克隆技术，将荧光素酶基因或荧光报告基团稳定整合到预期观察的细胞的染色体内，培养出能稳定表达荧光素酶蛋白或荧光蛋白的细胞株。

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：

小鼠经过麻醉系统被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。

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。荧光成像应选择合适的激发和发射滤片，生物发光则需要成像前体内注射底物激发发光。

利用软件完成图像分析过程。使用者可以方便地选取感兴趣的区域进行测量和数据处理及保存工作。当选定需要测量的区域后，软件可以计算出此区域发出的光子数，获得实验数据。

影响因素

底物给药方式：常用的底物给药方式有腹腔注射和尾静脉注射。腹腔注射迅速分布全身，并穿过包括大脑在内的血液组织屏障；尾静脉注射可提供更好的再现性和高信号，但注射难度较高，代谢快。

荧光标记物波长：大多数生物体内都表现出一种天然的荧光，被称为“自发荧光”。这些荧光与标记物发射波长重叠，导致低信噪比，检测灵敏度受限。建议使用近红外波长的荧光染料，具有更高信噪比和更深穿透力。

动物毛发：小鼠毛发生长周期由三个阶段组成，生长期中的皮肤色素沉着是活体成像中的一个重要变量。强烈着色的皮肤可导致大量光信号衰减，建议成像前一天通过剃毛或化学脱毛去除观察区域的毛发。

活体成像技术监测细胞迁移的应用

癌症及药物研究

活体成像技术在癌症研究中具有重要应用。通过标记肿瘤细胞，可以实时观察体内肿瘤细胞的增殖、生长、转移情况。这种技术不仅能够在近无创条件下直接快速观察研究，而且其极高的灵敏度使微小的肿瘤病灶也可以被检测到。在抗肿瘤药物研究中，通过给予肿瘤接种的小鼠不同剂量、不同给药时间、不同给药途径，可以观察并制定合适的剂型与服药时间。

干细胞研究

活体成像技术还可以用于干细胞研究。通过标记干细胞，可以实时观测干细胞在体内的增殖、分化及迁移的过程。例如，将荧光素酶标记的造血干细胞移植入脾及骨髓，可以实时观测活体动物体内干细胞造血过程的早期事件及动力学变化。

细胞凋亡研究

细胞凋亡是细胞死亡的一种重要形式，活体成像技术也可以用于细胞凋亡研究。当荧光素酶与抑制多肽以融合蛋白形式在哺乳动物细胞中表达时，产生的融合蛋白无荧光素酶活性，细胞不能发光。而当细胞发生凋亡时，活化的caspase-3在特异识别位点切割去掉抑制蛋白，恢复荧光素酶活性，产生发光现象，由此可用于观察活体动物体内的细胞凋亡相关事件。

细菌研究

活体成像技术还可以用于细菌研究。通过标记细菌，可以研究细菌在动物体内的繁殖部位、数量变化及对外界因素的反应。利用标记好的细菌在动物体内对药物的反应，医药公司和研究机构可用这种成像技术进行药物筛选和临床前动物实验研究。

结论

活体成像技术作为一种非侵入式、高灵敏度的监测手段，在细胞迁移研究中发挥着重要作用。通过生物发光和荧光技术，可以实时、直观地观测活体动物体内细胞迁移的动态过程。该技术不仅广泛应用于癌症、干细胞、细胞凋亡及细菌研究等领域，还为药物开发和新疗法研究提供了有力支持。随着技术的不断进步和完善，活体成像技术在未来生命科学和医学研究中将发挥更加重要的作用。