小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)作為生命科學(xué)研究領(lǐng)域的重要工具，能夠在實(shí)時(shí)和非侵入性的條件下追蹤小動(dòng)物體內(nèi)的生物學(xué)過(guò)程和疾病發(fā)展的動(dòng)態(tài)信息。隨著科技的不斷進(jìn)步，小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也在不斷創(chuàng)新，以更好地滿(mǎn)足科研需求。本文將從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的、標(biāo)記技術(shù)、成像模式、實(shí)驗(yàn)流程優(yōu)化以及創(chuàng)新思路等方面進(jìn)行探討。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的

小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要目的包括：觀察腫瘤或炎癥的發(fā)展以及腫瘤的轉(zhuǎn)移情況；探究物質(zhì)在小鼠體內(nèi)的代謝和聚集情況，如藥物代謝等。通過(guò)捕捉特殊的發(fā)光物質(zhì)，這些物質(zhì)可以標(biāo)記細(xì)胞或藥物，從而指示它們?cè)谛∈笾械奈恢?。這些目的的實(shí)現(xiàn)，依賴(lài)于小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)的高靈敏度和高分辨率成像能力，以及數(shù)據(jù)采集、圖像處理和定量分析功能。

二、標(biāo)記技術(shù)的創(chuàng)新

小動(dòng)物活體成像的標(biāo)記技術(shù)主要有兩種：生物發(fā)光和熒光。

生物發(fā)光技術(shù)

原理：生物發(fā)光是利用熒光素酶基因標(biāo)記細(xì)胞或DNA，通過(guò)基因表達(dá)產(chǎn)生的蛋白酶與相應(yīng)底物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生光信號(hào)。這種技術(shù)具有特異性強(qiáng)、背景低等優(yōu)點(diǎn)，但信號(hào)較弱，需要較長(zhǎng)曝光時(shí)間和優(yōu)質(zhì)設(shè)備。

創(chuàng)新思路：為了提高生物發(fā)光成像的靈敏度和信噪比，可以探索新的熒光素酶基因和底物組合。例如，螢火蟲(chóng)熒光素酶的發(fā)射波長(zhǎng)在體內(nèi)會(huì)紅移至610nm，組織穿透性更好，適用于動(dòng)物內(nèi)臟等較深部位的組織成像。而海腎熒光素酶的發(fā)射波長(zhǎng)480nm，適用于動(dòng)物淺表組織成像。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇合適的熒光素酶基因和底物，可以?xún)?yōu)化成像效果。

熒光技術(shù)

原理：熒光技術(shù)則是應(yīng)用熒光蛋白（如GFP、RFP、Mcherry等）或熒光染料標(biāo)記細(xì)胞或蛋白等研究對(duì)象。這種技術(shù)需要外界激發(fā)光源的激發(fā)，信號(hào)較強(qiáng)，但背景噪音較大。

創(chuàng)新思路：在選擇熒光方法時(shí)，應(yīng)盡量避開(kāi)自發(fā)熒光較強(qiáng)的熒光染料。例如，紅光或紅外染料如CY5或CY7以及紅色發(fā)光蛋白R(shí)FP等，具有較低的自發(fā)熒光干擾，是較好的選擇。此外，可以探索新的熒光標(biāo)記物質(zhì)，如量子點(diǎn)等，以提高熒光成像的靈敏度和穩(wěn)定性。

三、成像模式的融合

單一的成像模式往往只能提供有限的信息。將多種成像模式結(jié)合起來(lái)互補(bǔ)，可以在解剖結(jié)構(gòu)和定位的背景下提供分子特征、代謝和功能的信息，為科學(xué)研究提供更加全面和詳細(xì)的信息。

生物發(fā)光與熒光成像的融合

通過(guò)在同一實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕贤瑫r(shí)使用生物發(fā)光和熒光成像技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多模態(tài)成像。例如，可以通過(guò)生物發(fā)光成像觀察腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移情況，同時(shí)通過(guò)熒光成像觀察藥物在體內(nèi)的代謝和分布情況。這種融合成像技術(shù)可以提供更加全面的生物學(xué)信息。

光學(xué)成像與其他成像技術(shù)的融合

除了生物發(fā)光和熒光成像外，還可以將光學(xué)成像與其他成像技術(shù)如核素成像（PET/SPECT）、核磁共振成像（MRI）、計(jì)算機(jī)斷層攝影（CT）成像和超聲（ultrasound）成像等結(jié)合起來(lái)。例如，將光學(xué)成像與CT成像結(jié)合起來(lái)，可以在解剖結(jié)構(gòu)定位的背景下提供分子特征信息。這種多模態(tài)成像技術(shù)將為科學(xué)研究提供更加全面和深入的視角。

四、實(shí)驗(yàn)流程的優(yōu)化

優(yōu)化實(shí)驗(yàn)流程可以提高實(shí)驗(yàn)效率和準(zhǔn)確性，減少實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備

動(dòng)物選擇：為了獲得更準(zhǔn)確的成像結(jié)果，最佳選擇是使用無(wú)毛或白化動(dòng)物品系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。若條件受限，也可采用小鼠脫毛器或人用脫毛膏對(duì)預(yù)期發(fā)光部位或整個(gè)腹部進(jìn)行脫毛處理。此外，在成像前需用70%酒精浸濕的紙巾清潔動(dòng)物的口鼻、爪子和排尿處，以消除背景熒光信號(hào)。

飼料選擇：常規(guī)嚙齒動(dòng)物飼料中含有的紫花苜蓿會(huì)導(dǎo)致小鼠腹部出現(xiàn)自發(fā)熒光，這種熒光可能會(huì)掩蓋或模擬定位于腹部附近的熒光探針的信號(hào)。因此，在成像前應(yīng)采用無(wú)苜?；蚣兓暳?，以迅速降低腸道自發(fā)熒光，進(jìn)而提升熒光成像的信噪比。

成像過(guò)程中的操作

麻醉方式：光學(xué)成像可采用注射麻醉藥劑和氣體麻醉。注射麻醉可使用水合氯醛或戊巴比妥鈉等進(jìn)行腹腔注射。氣體麻醉則選用異氟烷吸入性麻醉藥劑，其麻醉誘導(dǎo)和復(fù)蘇均較快。大小鼠一般使用濃度為2%的異氟烷與氧氣混合使用。

體位選擇：實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)的光學(xué)信號(hào)會(huì)被組織干擾從而發(fā)生衰減。在動(dòng)物模型中，信號(hào)源越深，信號(hào)衰減越大。為了達(dá)到最大的模型靈敏度，應(yīng)確定能夠發(fā)出最高信號(hào)強(qiáng)度的動(dòng)物體位和方向。研究者可以從多個(gè)位置拍攝圖像，以確定最佳的動(dòng)物體位和方向。

參數(shù)設(shè)置：在成像過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選擇相應(yīng)的濾光片組。生物發(fā)光成像只需設(shè)置曝光時(shí)間和Binning值。熒光成像則根據(jù)熒光物質(zhì)種類(lèi)選擇相應(yīng)激發(fā)光和發(fā)射光濾光片。曝光結(jié)束后獲得圖像，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行明場(chǎng)圖和發(fā)光圖或熒光圖的融合，調(diào)整灰度優(yōu)化顯示效果，并進(jìn)行ROIs定量分析。

成像后的分析

利用軟件完成圖像分析過(guò)程。使用者可以方便地選取感興趣的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)處理及保存工作。當(dāng)選定需要測(cè)量的區(qū)域后，軟件可以計(jì)算出此區(qū)域發(fā)出的光子數(shù)，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外，還可以建立生物發(fā)光信號(hào)的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)，以反映熒光素酶底物的動(dòng)態(tài)變化。

五、創(chuàng)新思路的探索

隨著科技的不斷進(jìn)步和科研需求的不斷增加，小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也在不斷創(chuàng)新。以下是一些可能的創(chuàng)新思路：

新型標(biāo)記物質(zhì)的開(kāi)發(fā)

探索新型熒光標(biāo)記物質(zhì)，如量子點(diǎn)、上轉(zhuǎn)換納米粒子等，以提高熒光成像的靈敏度和穩(wěn)定性。這些新型標(biāo)記物質(zhì)可能具有更好的光穩(wěn)定性、更高的熒光量子產(chǎn)率和更低的毒性等優(yōu)點(diǎn)。

多模態(tài)成像技術(shù)的融合

將光學(xué)成像與其他成像技術(shù)如核素成像、核磁共振成像、計(jì)算機(jī)斷層攝影成像和超聲成像等結(jié)合起來(lái)，形成多模態(tài)成像系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可以在解剖結(jié)構(gòu)定位的背景下提供分子特征、代謝和功能的信息，為科學(xué)研究提供更加全面和深入的視角。

智能化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

開(kāi)發(fā)智能化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的自動(dòng)化和智能化。例如，通過(guò)集成自動(dòng)化注射系統(tǒng)、自動(dòng)化成像系統(tǒng)和智能化數(shù)據(jù)分析軟件等，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)分析的智能化處理。這將大大提高實(shí)驗(yàn)效率和準(zhǔn)確性，減少實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間。

新型成像原理的探索

探索新型成像原理，如切倫科夫成像等。切倫科夫成像是一種利用放射性同位素衰變時(shí)產(chǎn)生的切倫科夫輻射進(jìn)行成像的技術(shù)。這種技術(shù)具有靈敏度高、信噪比好等優(yōu)點(diǎn)，在腫瘤、炎癥等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新思路涉及多個(gè)方面，包括標(biāo)記技術(shù)的創(chuàng)新、成像模式的融合、實(shí)驗(yàn)流程的優(yōu)化以及新型成像原理的探索等。這些創(chuàng)新思路的實(shí)現(xiàn)將有助于推動(dòng)小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，為生命科學(xué)研究提供更加全面和深入的視角。同時(shí)，這也需要科研工作者不斷探索和實(shí)踐，以適應(yīng)不斷變化的科研需求和技術(shù)發(fā)展。