生物医学光学技术（三）
荧光关联谱 FCS¬—Fluorescence Correlation Spectroscopy
FCS可用于分析小规模分子集合辐射行为所引起的微小的自发扰动，从而反映分子内与分子间的动力学过程。由于FCS可观察纳摩尔（nanomolar）范围的荧光分子，因而可在大的空间与时间范围内，非常近似地模仿不同过程中的实际生理条件，如结合与离解反应，生化底物的转运、酶的周转，分子内（如结构）的动力学过程等。FCS的时间分辨率也可以达到纳秒（ns）量级。
成像关联谱 ICS—Imaging Correlation Spectroscopy
ICS为测量活细胞表面分子内相互作用的动力学过程提供了一种新的方法，还可以帮助阐明细胞膜上蛋白质的联合是如何激活信号转导通道的。ICS可测量分布在细胞表面的单个分子的密度、分子群、有组织的结构或功能区。该技术可探测单个分子的空间分辨率约为200平方微米。由于与分子的总数目有关，因此可用于估计单分子实体（molecular
entity）中的平均分子数目。
国际同行对动物活体内基因表达与蛋白质—蛋白质相互作用的在体光学成像研究也非常重视。例如，美国NIH已经召开过三次研讨会，认为新的在体生物光子学方法可用于癌症和其它疾病的早期检测、诊断和治疗。新一代的在体光学成像技术正处在从实验室转向癌症临床应用的重要时刻。在NIH的支持下，NCI（美国国家癌症研究所）正在计划5年投资1800万美元，招标建立“在体光学成像和/或光谱技术转化研究网络（NTROI）”，其研究内容主要包括：光学成像对比度的产生机理、在体光学成像技术与方法、临床监测、新光学成像方法的验证、系统研制与集成等五个方面。美国NIH于2000年底成立了的国家生物医学影像与生物工程研究所（NIBIB）,在其首批支持的项目中，光学成像方法约占30%。2000年7月，美国NIH投资2000万美元，开展小动物成像方法项目（SAIRPs）研究，受到生命科学界的高度关注，其中光学成像方法也是其中的研究重点之一。NSF
在2000-2002年发布了四次Biophotonics Partnership Initiative 招标指南，呼吁开展多学科的合作研究。
（三）研究热点与发展趋势
从前面的讨论中可以看出，研究热点与发展趋势应包括如下三个方面：
1.
生物分子的光学标记新技术研究。针对所研究的体系和对象，发展具有高度特异性的、可用于生物体内活体成像的核酸和蛋白质探针。例如研制新的发光蛋白用于动物模型体内，实现蛋白质在动物体内的表达成像研究；设计并合成新型的具有高特异性的核酸探针，实现基因转录调控的活体监测；发展在活体细胞内监测蛋白质—蛋白质的相互作用的新方法；发展新的表面修饰和标记方法，将荧光纳米颗粒作为探针，用于活体细胞和动物器官的基因表达和蛋白质—蛋白质实时在体光学成像研究。
2.
在体光学成像新技术与应用研究。针对不同的研究对象和应用目标，发展各种新型的在体光学成像技术。例如实现小动物体内深部目标探测的扩散光学成像方法；实现动物体内药代动力学和药理学过程的实时在体成像监测的相干域光学成像方法；实现对动物体内基因表达和分子间相互作用过程在体成像监测的多光子荧光等非线性光学成像方法；实现不同层次多参数测量的集成化在体光学成像系统；以及无须外源性标记的各类在体功能成像方法等。应用研究包括：a)
以小动物为研究对象，在动物体内不同部位（如肺、肝、脑等）的肿瘤模型或其它疾病模型基础上，研究在体基因表达规律，监测肿瘤发生发展的动力学过程；对活体动物体内分子与细胞事件进行定量成像研究，例如通过荧光标记蛋白的互补与重组策略，结合生物发光光学成像技术，可以实现对活体内蛋白质—蛋白质相互作用的定量无损成像，从而有望提供一种有潜在价值的工具，对研究处于自然在体状态环境下的细胞内的蛋白质—蛋白质相互作用、对以调节蛋白质相互作用为靶标的新药的在体评估都具有非常重要的意义。动物组织、器官到整体水平的在体光学成像可望为研究药物作用靶点和评价药物作用效果提供重要技术手段。b)
以小动物体内的活细胞为研究对象，用光学成像技术，实时在体研究细胞内基因表达与分子间相互作用的动力学过程。例如，可文中提到的FRET、FLIM、FRAP、FLAP等技术研究蛋白质分子间的相互作用、计算蛋白质间的作用距离、特定分子在细胞内移动、定位与跟踪，以及蛋白质的构像变化等；运用FCS技术，在较大的空间与时间范围内，研究不同分子的结合与离解反应，生化底物的转运、酶的周转，以及分子内（如结构）变化的动力学过程等；运用ICS技术研究活细胞表面分子内相互作用的动力学过程，研究细胞膜蛋白的联合及其与信号转导通道的激活关系等。
3. 数据处理、图像重建与可视化方法研究。在光学成像检测的基础上，还需要开展数据处理、图像重建与可视化方法研究。主要是根据光子传输规律和光学检测模式，对所获得的数据进行处理和可视化研究。
三、医学光学成像技术
医学光学成像技术从理论上可分为扩散光学成像与相干域光学成像，前者成像深度较深，理论基础是光子输运方程的扩散近似，被检测的光学信号会在组织体内经历多次散射，如何建立散射信息与组织光学特性参数变化间的关系和提取散射信息是其关键；后者成像深度主要在组织浅层，散射影响较小，如何避免散射和在强散射背景中提取有用的结构与功能信息是其关键。
四、结论
生物医学光学是新兴交叉学科。光学技术为揭示生命活动的基本规律、临床医学诊断与治疗提供了新的技术手段和方法，同时，生命科学的发展，也不断对光学技术提出新的要求，促进了光学技术的发展。
