什么是活体成像

什么是活体成像。活体成像是一种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的科学技术。它能够在不损伤实验动物的前提下，对活体状态下的生物过程进行组织、细胞和分子水平的定性和定量研究。通过这项技术，科学家们可以非侵入式、直观地观测活体动物体内肿瘤的生长、转移、感染性疾病的发展进程、特定基因的表达等生物学过程。本文将详细介绍活体成像的原理、技术类型、应用领域以及其优势和局限性。

一、活体成像的原理

活体成像技术主要基于光学原理。光在哺乳动物组织内传播时会被散射和吸收，而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。

二、活体成像的技术类型

活体成像技术主要包括生物发光（bioluminescence）、荧光（fluorescence）、同位素成像（Isotopes）和X光成像（X-ray）等。其中，生物发光和荧光技术是目前应用最为广泛的两种技术。

生物发光成像

生物发光成像技术利用荧光素酶（Luciferase）基因标记细胞或DNA。荧光素酶基因被整合到细胞染色体DNA上，当外源性底物荧光素（luciferin）被给予时，荧光素酶催化荧光素的氧化反应，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。

生物发光成像技术具有许多优点，如实时长期监测体内的各种生物学过程、背景噪声低、灵敏度高、无放射性、不损伤体内正常细胞等。然而，它也存在一些缺点，如成本较高、波长短穿透力差、细胞构建耗时费力等。

荧光成像

荧光成像技术采用荧光报告基团表达的荧光蛋白（如GFP、EGFP、RFP、YFP）、荧光染料等进行标记，然后利用仪器进行检测。荧光发光是通过激发光激发荧光基团到达高能量状态，而后产生波长较激发光长的发射光。荧光成像技术简单、方便、价廉，标记靶点多样，易于被大多数研究人员接受。然而，它也存在背景噪音强、灵敏度低、染料可能有毒性等缺点。

三、活体成像的应用领域

活体成像技术在医学和生物学研究领域中有着广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：

肿瘤研究

活体成像技术可以实时观察体内肿瘤细胞的增殖、生长、转移情况，评估抗肿瘤药物疗效，建立肿瘤转移模型等。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，实时评价各种治疗手段的治疗效果，动态观察肿瘤细胞治疗后的变化。

炎症与免疫反应监测

通过标记特定细胞或分子，活体成像技术可以追踪体内炎症发生位置及其程度变化，评估免疫细胞的免疫特异性、增殖、迁移等功能。

基因表达分析

利用报告基因（如荧光素酶）标记目标基因，可以研究其在不同条件下的表达模式。通过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，可以形成转基因动物模型，直接观察目的基因的表达模式。

药物动力学研究

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。通过标记与药物代谢有关的基因，可以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。

神经科学应用

活体成像技术可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。例如，通过标记特定神经细胞，可以观察其在疾病模型中的变化。

干细胞研究

活体成像技术可以标记移植的干细胞，观察其在宿主体内的分布和分化情况。通过标记组成性表达的基因，在转基因动物水平标记干细胞，可以示踪干细胞在体内的增殖、分化及迁移的过程。

感染性疾病模型

活体成像技术可以监测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。通过标记病原体或免疫细胞，可以实时观察感染过程。

心血管系统功能评估

活体成像技术可用于心肌梗死模型的建立、血管新生过程的研究等。通过标记特定心肌细胞或血管细胞，可以评估心血管系统功能。

四、活体成像的优势和局限性

活体成像技术具有许多优势，如能够连续、快速、远距离、无损伤地获得人体分子细胞的三维图像；可以揭示病变的早期分子生物学特征，推动疾病的早期诊断和治疗；为临床诊断引入了新的概念。然而，它也存在一些局限性，如成像深度有限、结构分辨率较低、无法临床转化等。

为了克服这些局限性，研究人员正在不断探索新的成像技术和方法。例如，近红外波长的荧光染料和荧光蛋白的应用可以提高信噪比和穿透深度；双光子显微镜和多光子显微镜的应用可以提高结构分辨率和成像深度。

活体成像技术是一种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的科学技术。它能够在不损伤实验动物的前提下，对活体状态下的生物过程进行组织、细胞和分子水平的定性和定量研究。通过这项技术，科学家们可以非侵入式、直观地观测活体动物体内肿瘤的生长、转移、感染性疾病的发展进程、特定基因的表达等生物学过程。虽然活体成像技术存在一些局限性，但随着技术的不断发展和完善，它将在医学和生物学研究领域中发挥越来越重要的作用。