活體成像在藥物研發(fā)中的作用。隨著生物醫(yī)學(xué)研究的不斷深入，藥物研發(fā)領(lǐng)域迎來了前所未有的挑戰(zhàn)與機遇。傳統(tǒng)的藥物研發(fā)流程耗時長、成本高，且成功率較低。為了提高研發(fā)效率，降低研發(fā)成本，科學(xué)家們不斷探索新的技術(shù)和方法。其中，活體成像技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢，在藥物研發(fā)中發(fā)揮著日益重要的作用。本文將深入探討活體成像技術(shù)的基本原理、分類以及在藥物研發(fā)中的具體應(yīng)用。

一、活體成像技術(shù)概述

活體成像技術(shù)（in vivo imaging technique）是指在不對實驗動物造成傷害的前提下，應(yīng)用影像學(xué)方法，利用靈敏的光學(xué)檢測儀器對活體狀態(tài)下的生物過程進行細胞和分子水平的定性和定量研究的技術(shù)。該技術(shù)能夠非侵入式、直觀地觀測活體動物體內(nèi)腫瘤的生長、轉(zhuǎn)移、疾病的發(fā)展過程、基因的表達變化等生物學(xué)過程，實現(xiàn)對同一實驗對象不同時間點各種生物學(xué)行為進行跟蹤觀察。

（一）實驗原理

光學(xué)原理

光在哺乳動物組織內(nèi)傳播時會被散射和吸收，光子遇到細胞膜和細胞質(zhì)時會發(fā)生折射現(xiàn)象。不同類型的細胞和組織吸收光子的特性并不一樣。在偏紅光區(qū)域，大量的光可以穿過組織和皮膚而被檢測到。在相同的深度情況下，檢測到的發(fā)光強度和細胞的數(shù)量具有非常好的線性關(guān)系?？梢姽怏w內(nèi)成像技術(shù)的基本原理在于光可以穿透實驗動物的組織并且可由儀器量化檢測到的光強度，同時反映出細胞的數(shù)量。

標(biāo)記原理

目前活體成像技術(shù)主要采用生物發(fā)光（Bioluminescence）與熒光（Fluorescence）兩種技術(shù)。

生物發(fā)光技術(shù)：在哺乳動物體內(nèi)，將熒光素酶（Luciferase）基因標(biāo)記細胞或者DNA，即將熒光素酶基因整合到細胞染色體DNA上以表達熒光素酶。當(dāng)外源（腹腔或靜脈注射）給予其底物熒光素（luciferin），即可在幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。這種酶在ATP及氧氣的存在條件下，催化熒光素的氧化反應(yīng)才可以發(fā)光，因此只有在活細胞內(nèi)才會產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，并且光的強度與標(biāo)記細胞的數(shù)目線性相關(guān)。

熒光技術(shù)：應(yīng)用熒光蛋白（如GFP、RFP、Mcherry等）標(biāo)記細胞或是蛋白等研究對象。熒光發(fā)光是通過激發(fā)光激發(fā)熒光基團到達高能量狀態(tài)，而后產(chǎn)生發(fā)射光。

（二）實驗步驟

以生物發(fā)光成像為例，實驗步驟主要包括細胞標(biāo)記、構(gòu)建動物模型和活體成像三個環(huán)節(jié)。

細胞標(biāo)記：通過分子生物學(xué)克隆技術(shù)，將熒光素酶的基因插到預(yù)期觀察的細胞的染色體內(nèi)，通過單克隆細胞技術(shù)的篩選，培養(yǎng)出能穩(wěn)定表達熒光素酶的細胞株。

構(gòu)建動物模型：根據(jù)實驗?zāi)康倪x擇尾靜脈注射、皮下移植、原位移植等方法接種已標(biāo)記的細胞。

活體成像：小鼠經(jīng)過麻醉后放入成像暗箱平臺，軟件控制平臺的升降到一個合適的視野，自動開啟照明燈拍攝第一次背景圖。然后自動關(guān)閉照明燈，在沒有外界光源的條件下拍攝由小鼠體內(nèi)發(fā)出的光，即為生物發(fā)光成像。與第一次的背景圖疊加后可以清楚地顯示動物體內(nèi)光源的位置，完成成像操作。之后利用軟件完成圖像分析過程。

二、活體成像在藥物研發(fā)中的應(yīng)用

活體成像技術(shù)在藥物研發(fā)中的應(yīng)用廣泛，涵蓋了藥效學(xué)評價、藥物動力學(xué)研究、藥物毒性評價等多個方面。

（一）藥效學(xué)評價

抗腫瘤藥物藥效學(xué)評價

抗腫瘤藥物藥效學(xué)評價是小動物光學(xué)成像技術(shù)的基礎(chǔ)應(yīng)用之一。利用熒光素酶標(biāo)記腫瘤細胞，并移植入動物體內(nèi)建立腫瘤疾病動物模型，給藥后應(yīng)用小動物活體光學(xué)成像技術(shù)觀測腫瘤光學(xué)信號隨時間的變化情況，進而評價不同藥物、特定的給藥途徑、時間、劑量等給藥策略對于腫瘤的治療效果。例如，通過標(biāo)記MDA-MB-435乳腺癌細胞株，建立腎包膜腫瘤模型，對PD-0332991（PD-991）、阿瓦斯?。ˋvastin）、多西他賽（docetaxel, TXT）的抗腫瘤效果進行評價，結(jié)果顯示30 mg/kg的多西他賽對腫瘤的生長抑制效果最好。

抗感染藥物藥效學(xué)評價

在抗感染藥物研發(fā)中，活體成像技術(shù)同樣發(fā)揮著重要作用。例如，通過標(biāo)記耐甲氧西林的金黃色葡萄球菌建立腹腔炎小鼠模型，應(yīng)用不同抗生素治療腹腔炎小鼠，通過活體成像技術(shù)觀測生物發(fā)光強度的變化，從而評價不同抗生素的殺菌活性。研究發(fā)現(xiàn)，達托霉素相較于其他抗生素，如萘夫西林、萬古霉素、利奈唑胺等，顯示出更強和更快的殺菌活性，對腹腔炎的治療效果更顯著。

其他疾病治療藥物藥效學(xué)評價

除了抗腫瘤和抗感染藥物，活體成像技術(shù)還可用于其他疾病治療藥物的藥效學(xué)評價。例如，通過標(biāo)記人乳頭瘤病毒建立皮膚感染模型，評價不同疫苗對病毒的抑制效果；通過標(biāo)記寄生蟲觀測其在活體動物體內(nèi)的感染情況，為開發(fā)有效藥物提供依據(jù)。

（二）藥物動力學(xué)研究

藥物動力學(xué)研究是藥物研發(fā)中不可或缺的一環(huán)。活體成像技術(shù)可以幫助了解新藥在體內(nèi)的吸收、分布、代謝和排泄過程。例如，通過熒光染料標(biāo)記藥物本身，追蹤熒光信號在動物體內(nèi)的分布變化，從而研究藥物的靶向性及代謝情況。在研究抗體或多肽類藥物是否能夠有效靶向腫瘤的實驗中，可以利用熒光染料標(biāo)記目標(biāo)抗體或多肽，經(jīng)尾靜脈注射后，利用小動物活體光學(xué)成像系統(tǒng)觀測藥物的腫瘤靶向性。

（三）藥物毒性評價及毒理機制研究

藥物毒性評價及毒理機制研究是保障藥物安全性的重要環(huán)節(jié)。活體成像技術(shù)可以在不犧牲實驗動物的前提下，持續(xù)、縱向地監(jiān)測藥物對實驗動物的影響，從而評價藥物的毒性及毒理機制。例如，通過標(biāo)記特定細胞或組織，觀測藥物對其形態(tài)、功能等方面的影響，為藥物的安全性評價提供重要依據(jù)。

三、活體成像技術(shù)的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

（一）優(yōu)勢

非侵入性

活體成像技術(shù)能夠在不損傷動物的前提下進行觀測，避免了傳統(tǒng)方法可能帶來的傷害和干擾。

直觀性

通過圖像化的方式展示生物過程，使實驗結(jié)果更加直觀、易于理解。

靈敏度高

能夠檢測到微弱的生物發(fā)光或熒光信號，提高實驗的靈敏度和準(zhǔn)確性。

可重復(fù)性

實驗步驟標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)果可重復(fù)性好，有助于不同實驗之間的比較和驗證。

（二）挑戰(zhàn)

成像深度有限

由于光在生物組織中的散射和吸收作用，活體成像技術(shù)的成像深度有限，難以對深層組織進行清晰成像。

標(biāo)記物的選擇

標(biāo)記物的選擇對實驗結(jié)果有重要影響。不同的標(biāo)記物具有不同的特性和適用范圍，需要根據(jù)實驗?zāi)康暮蜅l件進行選擇。

數(shù)據(jù)分析復(fù)雜

活體成像技術(shù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量巨大且復(fù)雜，需要借助專業(yè)的軟件進行分析和處理。

活體成像技術(shù)在藥物研發(fā)中發(fā)揮著日益重要的作用。通過非侵入式、直觀地觀測活體動物體內(nèi)的生物學(xué)過程，該技術(shù)為藥效學(xué)評價、藥物動力學(xué)研究、藥物毒性評價等提供了有力支持。然而，該技術(shù)也面臨著成像深度有限、標(biāo)記物選擇、數(shù)據(jù)分析復(fù)雜等挑戰(zhàn)。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，活體成像技術(shù)有望在藥物研發(fā)領(lǐng)域發(fā)揮更加廣泛和深入的作用。例如，通過與其他成像技術(shù)（如MRI、CT、PET等）的結(jié)合使用，實現(xiàn)功能性成像與結(jié)構(gòu)性成像的結(jié)合，為藥物研發(fā)提供更加全面和準(zhǔn)確的信息。同時，隨著納米技術(shù)和生物技術(shù)的不斷發(fā)展，新的標(biāo)記物和成像方法不斷涌現(xiàn)，也將為活體成像技術(shù)在藥物研發(fā)中的應(yīng)用帶來新的機遇和挑戰(zhàn)。