摘要:隨著小動物成像技術(shù)的發(fā)展,活體小動物非侵襲性成像在臨床前研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。本文圍繞五種小動物成像專用設(shè)備,綜述其特點及主要應(yīng)用,比較各種設(shè)備的優(yōu)勢和劣勢,總結(jié)小動物活體成像設(shè)備的發(fā)展趨勢。
動物模型是現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)研究中重要的實驗方法與手段,有助于更方便、更有效地認(rèn)識人類疾病的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律和研究防治措施,同時大鼠、天竺鼠、小鼠等小動物由于諸多優(yōu)勢在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)研究及藥物開發(fā)等多個領(lǐng)域應(yīng)用日益增多。近年來各種影像技術(shù)在動物研究中發(fā)揮著越來越重要的作用,涌現(xiàn)出各種小動物成像的專業(yè)設(shè)備,為科學(xué)研究提供了強有力的工具。
動物活體成像技術(shù)是指應(yīng)用影像學(xué)方法,對活體狀態(tài)下的生物過程進行組織、細(xì)胞和分子水平的定性和定量研究的技術(shù)。動物活體成像技術(shù)主要分為光學(xué)成像 (optical imaging)、核素成像(PET/SPECT)、核磁共振成像(magnetic resonance imaging ,MRI)、計算機斷層攝影(computed tomography,CT)成像和超聲(ultrasound)成像五大類。
活體成像技術(shù)是在不損傷動物的前提下對其進行長期縱向研究的技術(shù)之一。成像技術(shù)可以提供的數(shù)據(jù)有絕對定量和相對定量兩種。在樣本中位置而改變,這類技術(shù)提供的為絕對定量信息,如CT、MRI和PET提供的為絕對定量信息;圖像數(shù)據(jù)信號為樣本位置依賴性的,如可見光成像中的生物發(fā)光、熒光、多光子顯微鏡技術(shù)屬于相對定量范疇,但可以通過嚴(yán)格設(shè)計實驗來定量[1]。其中可見光成像和核素成像特別適合研究分子、代謝和生理學(xué)事件,稱為功能成像;超聲成像和CT則適合于解剖學(xué)成像,稱為結(jié)構(gòu)成像,MRI介于兩者之間。
1. 可見光成像
體內(nèi)可見光成像包括生物發(fā)光與熒光兩種技術(shù)[2]。生物發(fā)光是用熒光素酶基因標(biāo)記DNA,利用其產(chǎn)生的蛋白酶與相應(yīng)底物發(fā)生生化反應(yīng)產(chǎn)生生物體內(nèi)的光信號;而熒光技術(shù)則采用熒光報告基因(GFP、RFP)或熒光染料(包括熒光量子點)等新型納米標(biāo)記材料進行標(biāo)記,利用報告基因產(chǎn)生的生物發(fā)光、熒光蛋白質(zhì)或染料產(chǎn)生的熒光就可以形成體內(nèi)的生物光源。前者是動物體內(nèi)的自發(fā)熒光,不需要激發(fā)光源,而后者則需要外界激發(fā)光源的激發(fā)[3]。
1.1 生物發(fā)光:哺乳動物生物發(fā)光,一般是將螢火蟲熒光素酶(Firefly luciferase)基因整合到需觀察細(xì)胞的染色體DNA上,以表達(dá)熒光素酶,培養(yǎng)出能穩(wěn)定表達(dá)熒光素酶的細(xì)胞株,當(dāng)細(xì)胞分裂、轉(zhuǎn)移、分化時,熒光素酶也會得到持續(xù)穩(wěn)定的表達(dá)[4]。標(biāo)記后的熒光素酶只有在活細(xì)胞內(nèi)才會產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象,并且發(fā)光強度與標(biāo)記細(xì)胞的數(shù)目呈線性相關(guān)。
除螢火蟲熒光素酶外,有時也會用到海腎熒光素酶(renilla Luciferase)[5]。二者的底物不一樣,螢火蟲熒光素酶的底物是熒光素(D-luciferin),海腎熒光素酶的底物是腔腸素(coelentarizine)。二者的發(fā)光波長不一樣,前者所發(fā)的光波長在540~600nm,后者所發(fā)的光波長在460~540nm左右。前者所發(fā)的光更容易透過組織,在體內(nèi)的代謝較后者慢,而且特異性好。所以,大部分活體實驗使用螢火蟲熒光素酶基因作為報告基因,如果需要雙標(biāo)記或特殊的實驗,也可采用后者作為備選方案。
新問世的PpyRed紅色漂移熒光素酶,把以前的熒光素酶的發(fā)光峰從562nm漂移到612 nm。隨著發(fā)光波長的增加,PpyRed紅色漂移熒光素酶穿透性大大提高,被皮膚吸收的比例顯著降低,且光的漫射現(xiàn)象減少,提高了分辨率?偟恼f來,PpyRed紅色漂移熒光素酶提高了活體生物發(fā)光成像的靈敏度和分辨率[6]。
對于細(xì)菌標(biāo)記,一般利用發(fā)光酶基因操縱子luxABCDE或luxCDABE,其由控制的編碼熒光素酶的基因和編碼熒光素酶底物合成酶的基因組成。利用這種辦法進行標(biāo)記的細(xì)菌會持續(xù)發(fā)光,不需要外源性底物。但是一般細(xì)菌標(biāo)記需要轉(zhuǎn)座子的幫助把外源基因插入到細(xì)菌染色體內(nèi)穩(wěn)定表達(dá)。通過熒光素酶基因標(biāo)記的細(xì)菌進行的胃腸道排空的實驗可以把活體成像的研究應(yīng)用擴展到藥物動力學(xué)、胃腸道功能學(xué)等領(lǐng)域[7]。
1.2熒光:熒光成像技術(shù)發(fā)展迅速,主要表現(xiàn)在成像探針的不斷更新;光學(xué)成像系統(tǒng)不僅提供定量信息,還能提供三維立體圖像和多項復(fù)雜的數(shù)據(jù);紅外線斷層掃描重建、光譜分離、圖像融合和多通道成像技術(shù)已經(jīng)在許多成像系統(tǒng)常規(guī)應(yīng)用。
隨著小動物成像技術(shù)的發(fā)展,成像探針種類越來越多,功能越來越強大[8]。量子點(quantum dots,QDs)熒光標(biāo)記是納米技術(shù)和體內(nèi)熒光成像技術(shù)結(jié)合的一種新技術(shù),除了能對活細(xì)胞實時長時間動態(tài)熒光觀察與成像,對細(xì)胞間、細(xì)胞內(nèi)及細(xì)胞器間的各種相互作用的原位實時動態(tài)示蹤外,還可以標(biāo)記在其他需要研究的物質(zhì)上,如藥物、特定的生物分子等,示蹤其活動及作用,其在長時間生命活動監(jiān)測及活體示蹤方面具有獨特的應(yīng)用優(yōu)勢[9]。
可見光成像的主要缺點是二維?平面成像及不能絕對定量,新一代熒光分子斷層成像(fluorescence molecular tomography, FMT)采用特定波長的激發(fā)光激發(fā)熒光分子產(chǎn)生熒光,通過圖像重建提供目標(biāo)的深度信息和對目標(biāo)物進行立體成像,并且可以定量及多通道成像,能夠在毫米量級的組織中檢測與某種生理功能相關(guān)的熒光探針的濃度分布,在疾病特別是癌癥的早期診斷、基因表達(dá)圖譜、蛋白質(zhì)功能研究、受體定位、細(xì)胞通路解釋和檢測小分子蛋白之間的相互作用等生物技術(shù)方面,有著重要的作用[10]。
幾種基于熒光顯微鏡技術(shù)的方法適用于體外細(xì)胞也適合體內(nèi)細(xì)胞的觀察,如多光子顯微技術(shù)、激光顯微共聚焦技術(shù)和纖維光學(xué)方法等。因為共聚焦顯微術(shù)使用方便、耗費少,所以應(yīng)用最廣泛,但如果觀察時間過長且組織光穿過率低,光毒性導(dǎo)致的細(xì)胞死亡是其應(yīng)用的局限性之一[1]。多光子顯微技術(shù)能達(dá)到800 μm以上深度的空間分辨率,通過多通道檢測不同標(biāo)記的熒光物體,以及信號融合可得到三維圖像信息,也可提供幾個小時的高空間分辨率的成像[11];雖然活體多光子顯微成像系統(tǒng)提供的是相對定量的熒光信號,但它可以使用血管內(nèi)定量參數(shù)及細(xì)胞遷移間隙定量。
可見光成像優(yōu)勢是使用低能量、無輻射、對信號檢測靈敏度高、實時監(jiān)測標(biāo)記的活體生物體內(nèi)的細(xì)胞活動和基因行為[12],被廣泛應(yīng)用到監(jiān)控轉(zhuǎn)基因的表達(dá)、基因治療、感染的進展、腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移、器官?移植、毒理學(xué)、病毒感染和藥學(xué)研究中。目前光學(xué)成像大多還處在以小動物為對象的基礎(chǔ)研究階段,但隨著可見光成像技術(shù)的成熟和完善,針對臨床研究前期的相關(guān)工作將陸續(xù)開展。
2. 核素成像
正電子發(fā)射斷層成像技術(shù)(positron emission tomography,PET)和單光子發(fā)射計算機斷層成像術(shù)(Single-Photon Emission Computed Tomography,SPECT)是核醫(yī)學(xué)的兩種顯像技術(shù)。
臨床PET、SPECT顯像效果欠佳,分辨率較低(臨床PET分辨率為4~8 mm),無法滿足小動物顯像研究的要求[13]。小動物PET、SPECT專為小動物實驗而設(shè)計,探測區(qū)域小,空間分辨率很高,可達(dá)1.0mm[13],有些?動物PET使用活動的掃描架不只適合小動物也適合中等大小的動物[14]。PET與SPECT相同之處是都利用放射性核素的示蹤原理進行顯像,皆屬于功能顯像。除了一般的分子成像技術(shù)都具有的無創(chuàng)傷、同一批動物持續(xù)觀察的優(yōu)點外,小動物PET/SPECT與其他分子顯像方法相比還具有以下顯著優(yōu)勢:①具有標(biāo)記的廣泛性,有關(guān)生命活動的小分子、小分子藥物、基因、配體、抗體等都可以被標(biāo)記;②絕對定量;③對于淺部組織和深部組織都具有很高的靈敏度,能夠測定感興趣組織中p-摩爾,甚至f-摩爾數(shù)量級的配體濃度,對于大鼠的檢測很方便;④可獲得斷層及三維信息,實現(xiàn)較精確的定位;⑤小動物PET/SPECT可以動態(tài)地獲得秒數(shù)量級的動力學(xué)資料,能夠?qū)ι砗退幚磉^程進行快速顯像;⑥可推廣到人體[15]。
2.1 小動物PET:進行小動物PET顯像,首先是利用醫(yī)用回旋加速器發(fā)生的核反應(yīng),生產(chǎn)正電子放射性核素,通過有機合成、無機反應(yīng)或生化合成制備各種小動物PET正電子顯像劑或示蹤物質(zhì)。顯像劑引入體內(nèi)定位于靶器官,利用PET顯像儀采集信息顯示不同斷面圖并給出定量生理參數(shù)。小動物PET的優(yōu)勢在于特異性、敏感性和能定量示蹤標(biāo)記物,且PET使用的放射性核素多為動物生理活動需要的元素,因此不影響它的生物學(xué)功能,放射性標(biāo)記物進入動物體內(nèi)后,由于其本身的特點,能夠聚集在特定的組織器官或參與組織細(xì)胞的代謝;半衰期超短,一般在十幾分鐘到幾小時,適合于快速動態(tài)研究,如11C、15O、3N ,半衰期在20min以內(nèi)[16];同時湮沒輻射產(chǎn)生的兩個能量相等的γ光子互成180°,提供了很好的空間定位,所以正電子成像儀一般不需要機械準(zhǔn)直器,采用電子準(zhǔn)直,從而大大提高了探測靈敏度,改善了空間分辨率。
盡管小動物PET已取得了巨大發(fā)展,然而卻面臨以下挑戰(zhàn),空間分辨率和系統(tǒng)絕對靈敏度是影響PET圖像質(zhì)量的重要指標(biāo),但分辨率和靈敏度卻是一對矛盾體,分辨率雖已達(dá)到1mm,但卻降低了靈敏度;同時小動物PET在很大程度上缺少解剖結(jié)構(gòu)信息和使用放射性核素,要求回旋加速器靠近成像設(shè)備[14]。
基于小動物PET巨大的應(yīng)用潛能與前景,其必將成為藥物的尋找和開發(fā)、以動物模型模擬人類疾病揭示疾病的生化過程、研究活體動物基因表達(dá)顯像以及其他生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要方法[17]。
2.2 小動物SPECT:相對于小PET系統(tǒng),小SPECT系統(tǒng)使用長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,這些放射性核素的半衰期從6h到3天,通常較PET使用的放射性核素半衰期長。單光子SPECT的靈敏度、分辨率及圖像質(zhì)量較PET差;而多光子SPECT系統(tǒng)空間分辨率能達(dá)到200μm,應(yīng)用此模式圖像可以由多個疊加數(shù)據(jù)重構(gòu),掃描時間也降低到幾分鐘,每個動物的輻射劑量也降低了[14,18]。隨著技術(shù)的發(fā)展特別是新探測器如CZT (cadmium zinc telluride)將提高小SPECT敏感度到小PET水平。隨著放射線示蹤劑種類增加及不依賴回旋加速器,小SPECT有很大的應(yīng)用前景,可用于監(jiān)視生理功能、示蹤代謝過程和定量受體密度等[18]。
作為生物醫(yī)學(xué)研究的重要技術(shù)平臺,核素成像技術(shù)用于發(fā)現(xiàn)易于為核素標(biāo)記的既定靶目標(biāo)底物的存在,或用于追蹤小量標(biāo)記基因藥物和進行許多藥物抵抗或病毒載體的傳送。
3.小動物CT
CT是利用組織密度的不同造成對X射線透過率不同,對機體一定厚度的層面進行掃描,并利用計算機重建三維圖像的影像技術(shù)。小動物CT(微型CT)作為一種最新的CT成像技術(shù),具有微米量級的空間分辨率(>9μm)并可以提供三維圖像[19]。大多數(shù)系統(tǒng)使用圓錐形的X射線輻射源和固體探測器。探測器可以圍繞動物旋轉(zhuǎn),允許一次掃描動物整體成像;CT的視野探測器是決定CT分辨率水平的關(guān)鍵部件,小動物CT能達(dá)到不同的分辨率,從15~90μm,其應(yīng)用范圍很廣;專門用于體內(nèi)研究的儀器的最佳分辨率是50~100μm,雖然分辨率低但可降低輻射劑量,增快研究進展,使長期縱向研究得以順利進行[20]。在分辨率為100μm時,對整個小鼠進行一次掃描大約需15分鐘,更高分辨率的掃描需要更長時間的掃描[16]。
小CT系統(tǒng)在小動物骨和肺部組織檢查等方面具有獨特的優(yōu)勢。對于骨的研究,分辨率限制在15μm,如果在小梁水平上分析,負(fù)荷也被考慮在內(nèi);小CT也常應(yīng)用在呼吸系統(tǒng)疾。ㄈ缦⒙宰枞苑渭膊。┑臋z測,為避免呼吸和其他人為因素造成的動物固定器移動,現(xiàn)在多用附加組件來控制呼吸和使人為因素最小化;特異對比因子的使用可以進一步促進軟組織的研究如心血管發(fā)生、腫瘤生長等。高分辨率小CT系統(tǒng)在研究軟組織腫瘤和轉(zhuǎn)基因動物的特征性結(jié)構(gòu)上取得了較好的效果[14]。
第一代小CT的主要缺點是即使使用特異對比因子、高輻射劑量和長時間的掃描,對軟組織的相對分辨率仍很低。第二代小CT系統(tǒng)組合了很多在臨床上使用的技術(shù),配置了小探測器組件和更強大的X線管,可實現(xiàn)更快地掃描整個動物(0.8s),并可使用臨床對比劑(造影劑)而且使灌注研究成為可能。此外,使用碘酸鹽造影劑顯著地改善了圖像的對比度,能夠看清更小直徑的血管(20μm)。這項技術(shù)主要的不足是還必須暴露在電離輻射下,特別是持續(xù)反復(fù)的研究,電離輻射可能改變腫瘤學(xué)等方面的研究[14]。
為了使CT具有分子成像能力,特異CT探針被設(shè)計出,探針在CT掃描時同時使用[21]。遺憾的是,對比劑的使用導(dǎo)致射線的危害。因為敏感度和空間分辨率也依賴于CT暴露的時間和對比劑使用的數(shù)量。
4.小動物MRI
MRI是依據(jù)所釋放的能量在物質(zhì)內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)環(huán)境中不同的衰減,而繪制出物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像。相對于CT,MRI具有無電離輻射性(放射線)損害,高度的軟組織分辨能力,無需使用對比劑即可顯示血管結(jié)構(gòu)等獨特優(yōu)點。對于核素和可見光成像,小動物MRI的優(yōu)勢是具有微米級的高分辨率及低毒性;在某些應(yīng)用中,MRI能同時獲得生理、分子和解剖學(xué)的信息,這些正是核醫(yī)學(xué)、光學(xué)成像的弱點。對于小動物研究,小動物MRI是一個功能強大、多用途的成像系統(tǒng)[22],但是MRI的敏感性較低(微克分子水平),與核醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的納克分子水平相比,低幾個數(shù)量級[14]。所以它不是最理想的成像系統(tǒng),隨著多模式平臺的發(fā)展,如MRI/PET,可以從一個儀器中得到更全面的信息。
最近,動物MRI發(fā)展的焦點集中在新的增強對比因子以增加敏感度和特異性。增強對比因子分為非特異性的、靶向性的和智能性的[23]。非特異探針如螯合釓顯示非特異的分散模式,用于測量組織灌注率和血管的滲透率;靶向探針如釓標(biāo)記的抗生物素蛋白和膜聯(lián)蛋白順磁性氧化鐵顆粒被設(shè)計成特異配體如多肽和抗體,如近年研制的超小順磁性氧化鐵(USPIO) 可用于標(biāo)記癌細(xì)胞、造血細(xì)胞、干細(xì)胞、吞噬細(xì)胞和胰島細(xì)胞等,在體外或體內(nèi)標(biāo)記后進行體內(nèi)跟蹤,了解正常細(xì)胞或癌細(xì)胞的生物學(xué)行為或轉(zhuǎn)移、代謝的規(guī)律[24];膜聯(lián)蛋白V順磁性氧化鐵顆粒被用來檢測凋亡細(xì)胞,因為凋亡細(xì)胞磷脂酰絲氨酸暴露在細(xì)胞表面,導(dǎo)致與其有高特異性結(jié)合的膜聯(lián)蛋白V(Annexin V)的攝取增加[25]。智能探針和靶向探針一樣有一特異靶點,但不同的是在和特異配體作用以后探針信號才改變,才可以被檢測出。
目前MRI分子影像圖像僅僅局限于臨床前期的動物研究中,MRI分子影像距離真正的臨床分子影像圖像還有很遠(yuǎn)的路程,需要設(shè)計新的分子探針來適應(yīng)臨床診斷和治療的需要。
5.小動物超聲
超聲基于聲波在軟組織傳播而成像,由于無輻射、操作簡單、圖像直觀、價格便宜等優(yōu)勢在臨床上廣泛應(yīng)用。在小動物研究中,由于所達(dá)到組織深度的限制和成像的質(zhì)量容易受到骨或軟組織中的空氣的影響而產(chǎn)生假象。所以超聲不像其他動物成像技術(shù)那樣應(yīng)用廣泛,應(yīng)用主要集中在生理結(jié)構(gòu)易受外界影響的膀胱和血管[26],此外小動物超聲在轉(zhuǎn)基因動物的產(chǎn)前發(fā)育研究中有很大優(yōu)勢[27]。
小動物活體成像設(shè)備主要特點
6. 發(fā)展與展望
傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)成像技術(shù),如CT、MRI和超聲等有較高的空間分辨率,但他們的共同缺點是直到組織結(jié)構(gòu)變化才能檢測到疾病,即對疾病的敏感性較低,而這時疾病通常已到中晚期;功能成像技術(shù),如可見光成像、核素成像則能通過分子和細(xì)胞的變化檢測到疾病,例如腫瘤在導(dǎo)致組織結(jié)構(gòu)變化之前就可通過核素成像被檢測到,但功能成像技術(shù)的空間分辨率較低,結(jié)構(gòu)信息不足[28]。由于每種成像技術(shù)都有其獨特的優(yōu)勢和局限性,結(jié)合幾種技術(shù)的多模式成像平臺,象PET/SPECT/CT,F(xiàn)MT–CT, FMT–MRI , PET–MRI等應(yīng)運而生,這些多模式成像平臺促進了圖像的重構(gòu)和數(shù)據(jù)的可視[29]。例如PET/SPECT–CT、PET/SPECT–MRI將PET顯像與高分辨率、非侵入性解剖學(xué)顯像如CT、MRI等結(jié)合起來,這樣在研究中即可獲得生物功能信息又得到解剖結(jié)構(gòu)信息。
如PET與CT兩種不同成像原理的設(shè)備同機組合,不是其功能的簡單相加,而是在此基礎(chǔ)上進行圖像融合,圖像融合處理系統(tǒng)利用各自成像方式的特點對兩種圖像進行空間配準(zhǔn)與結(jié)合,將影像數(shù)據(jù)注冊后合成為一個單一的影像。PET-CT同機融合具有相同的定位坐標(biāo)系統(tǒng),動物掃描時不必改變位置,即可進行PET-CT同機采集,避免了由于動物移位所造成的誤差。CT除用于解剖定位外,還可提供一種快速低噪音衰減校正和部分體積校正方法,并在PET 圖像重建過程中降低顯像噪音、提高圖像質(zhì)量。小動物專用PET/CT掃描儀將極大提高PET顯像的準(zhǔn)確性。幾種技術(shù)結(jié)合的多模式成像平臺是動物活體成像的一個發(fā)展趨勢。
隨著分子生物學(xué)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,各種成像技術(shù)應(yīng)用更廣泛,成像系統(tǒng)要求能絕對定量、分辨率高、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、綜合性、在系統(tǒng)中對分子活動敏感并與其他分子檢測方式互相補償及整合。與此同時,作為動物顯像的技術(shù)平臺,動物成像技術(shù)將在生命科學(xué)、醫(yī)藥研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。
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