活體成像技術(shù)原理淺析?；铙w成像技術(shù)，作為一種在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)研究及藥物開發(fā)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景的技術(shù)手段，正逐漸成為科學(xué)家們探索生命奧秘的重要工具。它能夠在不傷害實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的前提下，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地觀測活體動(dòng)物體內(nèi)的生物學(xué)過程，為腫瘤學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、免疫學(xué)和藥物開發(fā)等領(lǐng)域的研究提供了極大的便利。本文將對活體成像技術(shù)的原理進(jìn)行淺析。

一、活體成像技術(shù)概述

活體成像技術(shù)，顧名思義，是指應(yīng)用影像學(xué)方法，在不對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物造成傷害的前提下，對活體狀態(tài)下的生物過程進(jìn)行細(xì)胞和分子水平的定性和定量研究的技術(shù)。通過這項(xiàng)技術(shù)，科學(xué)家們可以非侵入式、直觀地觀測活體動(dòng)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(dá)變化等生物學(xué)過程?；铙w成像技術(shù)以其操作簡便、結(jié)果直觀、靈敏度高等特點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。

二、活體成像技術(shù)的基本原理

活體成像技術(shù)主要基于生物發(fā)光（Bioluminescence）和熒光（Fluorescence）兩種成像方法。這兩種方法各有其獨(dú)特的原理和應(yīng)用場景。

（一）生物發(fā)光成像原理

生物發(fā)光成像是一種利用生物體內(nèi)源性或外源性生物發(fā)光反應(yīng)產(chǎn)生的光信號(hào)進(jìn)行成像的前沿技術(shù)。其核心在于熒光素酶基因的應(yīng)用?？茖W(xué)家們通常選擇如螢火蟲熒光素酶這樣的基因作為報(bào)告基因，通過基因工程技術(shù)將其插入到目標(biāo)細(xì)胞的染色體DNA中，使這些細(xì)胞能夠表達(dá)熒光素酶。當(dāng)給予動(dòng)物外源性的熒光素底物后，熒光素酶催化熒光素氧化，產(chǎn)生明亮的光信號(hào)。這種發(fā)光現(xiàn)象是活細(xì)胞特有的，且發(fā)光強(qiáng)度與被標(biāo)記的細(xì)胞數(shù)量直接相關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了對細(xì)胞活動(dòng)的精確量化。

生物發(fā)光成像技術(shù)具有多種優(yōu)勢。例如，它允許長時(shí)間觀察，且不涉及放射性物質(zhì)，因此非常安全。同時(shí)，該技術(shù)具有高靈敏度、無光毒性和光漂白現(xiàn)象、以及更高的信噪比等顯著優(yōu)勢。這使得生物發(fā)光成像技術(shù)在多個(gè)生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。例如，在腫瘤學(xué)領(lǐng)域，該技術(shù)能夠直接快速地測量腫瘤的生長、轉(zhuǎn)移以及對藥物的反應(yīng)，為腫瘤的早期診斷和治療提供了有力的支持；在藥物研究領(lǐng)域，它可以實(shí)時(shí)監(jiān)測藥物對炎癥反應(yīng)的抑制作用，從而加速新藥的開發(fā)進(jìn)程；在基因治療領(lǐng)域，通過標(biāo)記并追蹤目的基因在體內(nèi)的表達(dá)情況，可以評估基因治療的效果。

（二）熒光成像原理

熒光成像則是一種基于熒光分子在受到光激發(fā)后發(fā)出特定波長的光的成像技術(shù)。這種技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)研究中具有廣泛的應(yīng)用，特別是在細(xì)胞和分子生物學(xué)領(lǐng)域。其基本原理在于熒光分子在受到特定波長的光激發(fā)后，會(huì)發(fā)出另一種特定波長的光。這種光致發(fā)光現(xiàn)象構(gòu)成了熒光成像技術(shù)的核心。在生物醫(yī)學(xué)研究中，常用的熒光標(biāo)記物包括熒光蛋白（如綠色熒光蛋白GFP、紅色熒光蛋白R(shí)FP等）和特殊染料。這些標(biāo)記物在外界激發(fā)光源的照射下會(huì)發(fā)出熒光，這些穿透組織的光信號(hào)隨后被體外高精度的CCD設(shè)備捕捉，經(jīng)過處理，最終轉(zhuǎn)化為清晰、詳盡的圖像，供科學(xué)家們深入研究與分析。

熒光成像技術(shù)具有費(fèi)用低廉、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。近年來，熒光成像技術(shù)取得了顯著的進(jìn)展，特別是在熒光探針的開發(fā)方面。熒光探針是熒光成像技術(shù)的關(guān)鍵組件，它們能夠與特定的生物分子結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)對這些分子的追蹤和監(jiān)測。隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，熒光納米顆粒探針因其高熒光效率和光穩(wěn)定性而逐漸嶄露頭角。這些探針為生物醫(yī)學(xué)研究提供了更加靈敏和可靠的工具。

三、活體成像技術(shù)的實(shí)驗(yàn)步驟

活體成像技術(shù)的實(shí)驗(yàn)步驟主要包括細(xì)胞標(biāo)記、構(gòu)建動(dòng)物模型和活體成像三個(gè)環(huán)節(jié)。

（一）細(xì)胞標(biāo)記

細(xì)胞標(biāo)記是活體成像技術(shù)的第一步。以生物發(fā)光成像為例，科學(xué)家們首先需要制備帶有熒光素酶報(bào)告基因的真核表達(dá)質(zhì)粒并進(jìn)行擴(kuò)增純化。然后，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(xì)胞的染色體內(nèi)，通過單克隆細(xì)胞技術(shù)的篩選，培養(yǎng)出能穩(wěn)定表達(dá)熒光素酶的細(xì)胞株。這些被標(biāo)記的細(xì)胞將用于后續(xù)的活體成像實(shí)驗(yàn)。

（二）構(gòu)建動(dòng)物模型

構(gòu)建動(dòng)物模型是活體成像技術(shù)的關(guān)鍵步驟之一。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，科學(xué)家們可以選擇尾靜脈注射、皮下移植、原位移植等方法將已標(biāo)記的細(xì)胞接種到實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)。這些動(dòng)物模型將用于后續(xù)的活體成像觀測。

（三）活體成像

活體成像環(huán)節(jié)是實(shí)驗(yàn)的核心部分。以生物發(fā)光成像為例，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物首先需要經(jīng)過麻醉系統(tǒng)被麻醉后放入成像暗箱平臺(tái)。然后，通過軟件控制平臺(tái)的升降到一個(gè)合適的視野，自動(dòng)開啟照明燈拍攝第一次背景圖。接著，自動(dòng)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(dòng)物體內(nèi)光源的位置，完成成像操作。熒光成像則需要選擇合適的激發(fā)和發(fā)射濾片進(jìn)行拍攝。最后，利用軟件完成圖像分析過程，使用者可以方便地選取感興趣的區(qū)域進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)處理及保存工作。

四、活體成像技術(shù)的影響因素

活體成像技術(shù)的效果受到多種因素的影響，包括CCD的性能、細(xì)胞和基因的表達(dá)情況、熒光標(biāo)記物的選擇、底物熒光素的濃度和溫度以及自發(fā)熒光的干擾等。例如，高靈敏度的制冷CCD鏡頭和絕對密封的暗箱裝置是保證可見光成像技術(shù)能夠檢測到體內(nèi)發(fā)出的微弱可見光的關(guān)鍵因素；不同的熒光標(biāo)記物在體內(nèi)具有不同的穿透性和信噪比，選擇合適的標(biāo)記物對于提高成像質(zhì)量至關(guān)重要；底物熒光素的濃度和溫度也會(huì)影響發(fā)光強(qiáng)度和成像效果；實(shí)驗(yàn)動(dòng)物自身的自發(fā)熒光可能會(huì)產(chǎn)生背景噪音，影響成像的信噪比。

活體成像技術(shù)作為一種革命性的生物醫(yī)學(xué)研究工具，正在逐漸改變著科學(xué)家們探索生命奧秘的方式。通過生物發(fā)光和熒光成像這兩種核心技術(shù)，科學(xué)家們可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地觀測活體動(dòng)物體內(nèi)的生物學(xué)過程，為腫瘤學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、免疫學(xué)和藥物開發(fā)等領(lǐng)域的研究提供了極大的便利。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，相信活體成像技術(shù)將在未來發(fā)揮更加重要的作用。