一、 技術(shù)簡介

活體生物熒光成像技術(shù)(in vivo bioluminescence imaging)是近年來發(fā)展起來的一項分子、基因表達的分析檢測系統(tǒng)。它由敏感的CCD及其分析軟件和作為報告子的熒光素酶(luciferase)以及熒光素(luciferin)組成。利用靈敏的檢測方法，讓研究人員能夠直接監(jiān)控活體生物體內(nèi)腫瘤的生長及轉(zhuǎn)移、感染性疾病發(fā)展過程、特定基因的表達等生物學(xué)過程。傳統(tǒng)的動物實驗方法需要在不同的時間點宰殺實驗動物以獲得數(shù)據(jù), 得到多個時間點的實驗結(jié)果。相比之下，可見光體內(nèi)成像通過對同一組實驗對象在不同時間點進行記錄，跟蹤同一觀察目標(biāo)（標(biāo)記細胞及基因）的移動及變化，所得的數(shù)據(jù)更加真實可信。因其操作極其簡單、所得結(jié)果直觀、靈敏度高等特點, 在剛剛發(fā)展起來的幾年時間內(nèi)，已廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)研究及藥物開發(fā)等方面。


二、 原理

活體生物熒光成像技術(shù)是指在小的哺乳動物體內(nèi)利用報告基因-熒光素酶基因表達所產(chǎn)生的熒光素酶蛋白與其小分子底物熒光素在氧、Mg2+離子存在的條件下消耗ATP發(fā)生氧化反應(yīng), 將部分化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽饽茚尫�。然后在體外利用敏感的CCD設(shè)備形成圖像。熒光素酶基因可以被插入多種基因的啟動子(promoter), 成為某種基因的報告基因, 通過監(jiān)測報告基因從而實現(xiàn)對目標(biāo)基因的監(jiān)測。

生物熒光實質(zhì)是一種化學(xué)熒光,螢火蟲熒光素酶在氧化其特有底物熒光素的過程中可以釋放波長廣泛的可見光光子, 其平均波長為560 nm(460-630 nm), 這其中包括重要的波長超過600 nm的紅光成分。 在哺乳動物體內(nèi)血紅蛋白是吸收可見光的主要成分, 能吸收中藍綠光波段的大部分可見光; 水和脂質(zhì)主要吸收紅外線, 但其均對波長為590-800 nm的紅光至近紅外線吸收能力較差, 因此波長超過600 nm的紅光雖然有部分散射消耗但大部分可以穿透哺乳動物組織被敏感的CCD camera檢測到。

三、技術(shù)優(yōu)勢

1．無創(chuàng)傷性;

2．可多次重復(fù)在不同時間點檢測;

3．快速掃描成像(時間少于5 min);

4．可以使實驗動物整體成像;

5．同一實驗動物體內(nèi)獲得全部時間點的整體數(shù)據(jù),用極少的實驗動物而迅速獲得更全面的數(shù)據(jù),大大地節(jié)省了時間及經(jīng)費,減少了不同實驗動物之間的個體差異。

四、應(yīng)用

1． 在腫瘤方面的應(yīng)用

它可以快速的測量各種癌癥模型中腫瘤的生長, 并可對癌癥治療中癌細胞的變化進行實時觀測評估; 可以無創(chuàng)傷地定量檢測小鼠整體的原位瘤、轉(zhuǎn)移瘤及自發(fā)瘤。如Hollingshead 等利用人類膠質(zhì)瘤細胞系U251構(gòu)建U251-HRE細胞, 其中的熒光素酶基因表達受可誘導(dǎo)啟動子的操控, 低氧狀態(tài)為其誘導(dǎo)條件, 因此在細胞處于低氧狀態(tài)下熒光素酶基因開始表達. 將此腫瘤細胞sc于裸鼠體內(nèi), 腫瘤增殖早期并無明顯熒光素酶表達, 當(dāng)腫瘤達到了300-500 mg時, 局部組織出現(xiàn)低氧狀態(tài), 此時可監(jiān)測到熒光素酶顯著表達. 這種方法不僅僅監(jiān)測腫瘤本身, 更重要的是可以監(jiān)測腫瘤細胞所處的微環(huán)境.

2． 在監(jiān)測感染和炎癥方面的應(yīng)用

熒光素酶基因標(biāo)記病毒和細菌, 利用活體生物熒光成像技術(shù)可以檢測到，并能連續(xù)觀察其對機體的侵染過程以及抗病毒藥物和抗生素對其病理過程的影響。如Contag et 等用細菌熒光素酶標(biāo)靶沙門菌, 并用活體生物熒光成像追蹤細菌感染.。

3． 活體生物熒光成像技術(shù)和細胞示蹤

活體生物熒光成像技術(shù)還可應(yīng)用到免疫細胞、干細胞、細胞凋亡等研究領(lǐng)域.。如Costa 等通過活體生物熒光成像可以追蹤到T淋巴細胞聚集于中樞神經(jīng)系統(tǒng)。

五、生產(chǎn)廠家

1．美國KODAKImage Station In-Vivo FX多功能活體成像系統(tǒng)

1．1簡介：該系統(tǒng)采用了Kodak公司科研級的超高靈敏度4百萬象素冷CCD，高安全標(biāo)準(zhǔn)的X-光模塊，以及專利的放射性同位素磷屏等技術(shù)，實現(xiàn)了化學(xué)發(fā)光、全波長范圍熒光、放射性同位素以及X-光等的多功能檢測功能。友好的動物樣品室的設(shè)計方便了活體動物標(biāo)本的成像操作，是目前市場上最適合與做活體成像研究的強力工具。

1．2技術(shù)參數(shù)

 2048×2048象素、16位制冷CCD相機

 可控強度X-光模塊

 外置150瓦高強度鹵鎢燈光源

 5位置激發(fā)光濾光片輪，標(biāo)配4個可選波長激發(fā)光濾光片

 4位置發(fā)射光濾光片輪，標(biāo)配4個可選波長發(fā)射光濾光片

 X-光磷屏

 放射性同位素磷屏

 動物樣品室

 Kodak MI分子成像分析軟件(3用戶)

 一年免費維修服務(wù)。



2．美國精諾真（Xengon）活體動物體內(nèi)成像系統(tǒng)

技術(shù)優(yōu)勢：

a) 高靈敏度：精諾真活體成像技術(shù)可檢測到實驗動物體內(nèi)少至幾百個細胞的腫瘤病灶. 目前采用的其它檢測方法的檢測極限是直徑1mm左右的腫瘤，大約由10的6次方 或10的7次方個細胞組成. 精諾真活體成像技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相比，靈敏度提高了幾千倍。

b) 高通量：不再需要處死小鼠，解剖，染色，病理分析等實驗過程。精諾真成像系統(tǒng)操作簡單，任何一個實驗室人員都可使用。一天時間就可以檢測幾百只實驗動物，立刻得到實驗數(shù)據(jù)，使制藥企業(yè)進行大規(guī)模, 高通量動物研究成為現(xiàn)實。

c) 定量結(jié)果：實驗結(jié)果以靶細胞單位時間內(nèi)發(fā)射光子數(shù)的絕對量表示，它與標(biāo)記的靶細胞數(shù)量或基因表達情況直接線性相關(guān)。利用精諾真活體成像技術(shù)可以精確地定量分析藥效, 藥理, 及毒理結(jié)果。

d) 自身對照：利用在不同的時間點觀察同一只動物得到的實驗結(jié)果，可以更好地了解疾病病理，藥物動力學(xué)及發(fā)生在活體動物體內(nèi)的其它生物學(xué)和藥理過程。高效率的藥物篩選模型使研究人員能在動物試驗階段收集更多的數(shù)據(jù)。通過增加實驗數(shù)據(jù)的時間過程，精諾真技術(shù)能夠更加準(zhǔn)確和定量地檢測出藥物與正常或病理過程之間的關(guān)系。

e) 動物疾病模型：利用可發(fā)光轉(zhuǎn)基因動物技術(shù), 精諾真公司構(gòu)建和提供各種腫瘤, 藥理和毒理研究, 代謝, 內(nèi)分泌, 過敏性, 免疫性疾病, 以及其它多種疾病的動物模型。這些動物模型已被國際制藥公司和生物技術(shù)公司廣泛應(yīng)用于藥物的研發(fā)和報批過程中. 2005年4月的自然雜志(Nature Review)還專門對此技術(shù)的應(yīng)用進行了詳細的評述。

f) 成熟和普遍認可的技術(shù)：利用精諾真體內(nèi)成像技術(shù), 在歐美已有幾百篇發(fā)表在高級別雜志上的文章。 大部分的制藥企業(yè)已利用這項技術(shù)進行藥物開發(fā), 在對FDA的新藥申報和FDA藥物批準(zhǔn)文件中采用這種技術(shù)作為動物研究的主要手段。包括Novartis, Pfizer, Merck, Bayer, BMS, Chiron, Biogen, and GSK, 等等。


六、前景

活體動物熒光成像技術(shù)讓研究人員能夠觀察活體動物體內(nèi)的基因表達和細胞活動，是將分子及細胞生物學(xué)技術(shù)從體外研究發(fā)展到活體動物體內(nèi)的強有力手段，正在被越來越廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)及生物學(xué)研究領(lǐng)域。由于其檢測靈敏度極高，且操作簡單，費用相對低廉，因此在生物科學(xué)研究領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間。