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小动物活体成像技术概览（二）

2020.7.27

光在哺乳动物组织内传播时会被散射和吸收，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。利用灵敏的活体成像系统最少可以看到皮下的500个细胞，当然，由于发光源在老鼠体内深度的不同可看到的最少细胞数是不同的。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。

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。荧光成像具有费用低廉和操作简单等优点。同生物发光在动物体内的穿透性相似，红光的穿透性在体内比蓝绿光的穿透性要好得多，近红外荧光为观测生理指标的最佳选择。

虽然荧光信号远远强于生物发光，但非特异性荧光产生的背景噪音使其信噪比远远低于生物发光。虽然许多公司采用不同的技术分离背景光，但是受到荧光特性的限制，很难完全消除背景噪音。这些背景噪音造成荧光成像的灵敏度较低。目前大部分高水平的文章还是应用生物发光的方法来研究活体动物体内成像。但是，荧光成像有其方便，便宜，直观，标记靶点多样和易于被大多数研究人员接受的优点，在一些植物分子生物学研究和观察小分子体内代谢方面也得到应用。对于不同的研究，可根据两者的特点以及实验要求，选择合适的方法。最近许多文献报道的实验中，利用绿色荧光蛋白和荧光素酶对细胞或动物进行双重标记，用成熟的荧光成像技术进行体外检测，进行分子生物学和细胞生物学研究；然后利用生物发光技术进行动物体内检测，进行活体动物体内研究。

2－2核素成像
核素成像技术用于发现易于为核素标记的既定靶目标底物的存在，或用于追踪小量标记基因药物和进行许多药物抵抗或病毒载体的传送。包括微PET、微SPECT。

其中，微PET（正电子发射断层扫描仪Positron Emission Tomography）在目前的分子影像学研究中占据着极其重要的地位。最先开始的分子影像学研究就是用PET完成的，如今，用微PET进行的单纯胞疹病毒胸苷激酶的分子影像学技术已应用于临床试验中。
微PET技术是将正电子同位素标记的化合物注入生物体内作为探针，当这些化合物参与生物体内的代谢过程时，PET按照同位素放射性分布的绝对量进行连续性扫描，根据动力学原理和图像数据，对活体组织中的生理生化代谢过程作出定量分析，如血流量、能量代谢、蛋白质合成、脂肪酸代谢、神经递质合成速度、受体密度及其与配体结合的选择性和动力学等。PET 通常使用的探针是用11C，14N， 15O 及18F 等生物组织中含量最多元素的放射性核素标记的化合物，它们具有与体内分子类似（包括细胞代谢）的特点。
在药理学研究中，则可以用正电子同位素直接标记药物，观察其在活体中的分布和代谢，或测量生理性刺激及病理学过程中药物分布与代谢的变化，从而对药物剂量、作用部位、可能发生的毒副作用等做出前瞻性判断。还可以判断其代谢反应的类型及产物，观察药物与其他药物的相互作用、药物与营养物质的相互作用、药物与受体的作用、药物与酶的相互作用等。

2－3磁共振成像
磁共振（MRI）分子影像学的优势在于它的高分辨率（已达到μm级），同时可获得解剖及生理信息。这些正是核医学、光学成像的弱点。但是MRI分子影像学也有其弱点，它的敏感性较低（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。传统的MRI是以物理、生理特性作为成像对比的依据。分子水平的MRI成像是建立在上述传统成像技术基础上，以特殊分子作为成像依据，其根本宗旨是将非特异性物理成像转为特异性分子成像，因而其评价疾病的指标更完善，更具特异性。MRI分子影像学成像，可在活体完整的微循环下研究病理机制，在基因治疗后表型改变前，评价基因治疗的早期效能，并可提供三维信息，较传统的组织学检查更立体、快速。概括起来，MRI在分子影像学的应用主要包括基因表达与基因治疗成像、分子水平定量评价肿瘤血管生成、显微成像、活体细胞及分子水平评价功能性改变等方面。

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周锦帆