生物医学光学技术（一）
摘
要：随着生物分子光学标记技术的不断进步，光学技术在揭示生命活动基本规律的研究中正发挥越来越重要的作用，也为医学诊断与治疗提供了更多、更有效的手段。本报告首先简要介绍光学技术在生物医学应用中的发展概况，然后从基因表达及蛋白质—蛋白质相互作用研究方面，讨论生物分子光学技术的特点与优势，阐明基于分子光学标记的光学成像技术是重要的实时在体监测手段，最后讨论光学成像技术在组织功能/脑功能成像中的应用原理与现状。
关键词：光学技术、生物医学、医学诊断与治疗、分子光子学、医学成像
一、生物医学光学发展概况
生物医学光学（Biomedical
Optics）是近年来受到国际光学界和生物医学界广泛关注的研究热点，在生物活检（使用光学相干弱层析成像技术——OCT）、光动力治疗（PDT）、细胞结构与功能检测（运用激光共焦扫描显微镜）、基因表达规律的在体观测（运用荧光基因标记技术）等问题上取得了可喜研究成果，目前正在从宏观到微观多层面上对大脑活动与功能进行研究。Science在最近几年已发表相关论文近20篇。随着光学技术的发展，生物医学光学将在多层次上对研究生物体特别是人体的结构、功能和其他生命现象产生重要影响。
二、生物分子光学技术
细胞重大生命活动的发生和调节是通过生物大分子间（蛋白质—蛋白质、蛋白质—核酸等）相互作用来实现的。深入研究基因表达及蛋白质—蛋白质相互作用不仅能揭示生命活动的基本规律，同时也能深入了解疾病发生的分子机制，进而为寻找更有效的药物分子、提高药物筛选和药物设计的效率提供新的思路。
（一）现代分子生物学在研究基因表达和蛋白质—蛋白质相互作用中的局限性
现代分子生物学技术的迅速发展，特别是随着后基因组时代的到来，人们已经能够根据需要建立各种细胞和动物模型，为在体研究基因表达规律、分子间的相互作用、肿瘤细胞的增殖、细胞信号转导、诱导分化、细胞凋亡以及新的血管生成等提供了良好的生物学条件。
然而，尽管人们利用现有的分子生物学方法，已经对基因表达和蛋白质—蛋白质相互作用进行了深入、细致的研究，但仍然不能实现对蛋白质和基因活动的实时、动态监测。在细胞的生理过程中，基因、尤其是蛋白质的表达、修饰和相互作用往往发生可逆的、动态的变化。目前的分子生物学方法还不能捕获到蛋白质和基因的这些瞬时、动态、可逆的变化，但获取这些信息对与研究基因的表达和蛋白质—蛋白质的相互作用又至关重要。因此，发展能用于活体、动态、实时、连续监测蛋白质和基因活动的方法非常必要。
光学成像技术与分子生物学技术的结合为研究上述科学问题提供了现实与可能。因此，在现代分子生物学技术基础上，急需发展新的成像技术。在活体动物体内，如何实现基因表达及蛋白质—蛋白质相互作用的实时在体成像监测是当前迫切需要解决的重大核心科学技术问题！这是也生物学、信息科学（光学）和基础临床医学等学科共同感兴趣的重大基础问题。对这一科学问题的研究不仅有助于阐明生命活动的基本规律、认识疾病的发生发展规律，而且对创新药物研究、药物疗效评价以及发展疾病早期诊断技术（光子医学诊断技术）等产生重大影响。
（二）基于分子光学标记的光学成像技术是重要的实时在体监测手段
光学成像技术正成为实时在体研究分子间/分子内蛋白质—蛋白质相互作用、离子通道、细胞膜蛋白及相关信号转导、生化底物及酶转运等的重要手段，由于具有高时间、空间分辨率，比现有其他手段更为直接，因而可望成为后基因组时代新药靶发现和高通量药物筛选的新方法。
表1和表2分别给出了目前处于研究和应用阶段的几种主要成像技术的应用场合及参数比较。比较相关参数可以看出，基于分子光学标记的光学成像技术已经在活体动物体内基因表达规律方面展示了有较大的优势。
例如，正电子发射断层成像（PET）可实现对分子代谢的成像，空间分辨率：1-2mm，时间分辨率：分钟量级。与PET比较，光学成像的应用场合更广（可测量更多的参数，请参见表1），且具有更高的时间分辨率（秒级），空间分辨率可达到微米。因此，二者比较，虽然光学成像在测量深度方面不及PET，但在测量参数种类与时空分辨方面有一定优势。对于小动物（如大鼠）研究来说，光学成像技术可以实现小动物整体成像和在体基因表达成像，例如，初步研究表明，荧光介导层析成像可达到近10cm的测量深度（Nature
Reviews 2002）；基于多光子激发的显微成像技术可望实现小鼠体内基因表达的实时在体成像（Nature Medicine 2001）。
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