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。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，如何提升小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)的成像速度，成為科研人員關(guān)注的重點(diǎn)。本文將從成像原理、技術(shù)優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及操作技巧等方面，探討如何提升小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)的成像速度。

一、成像原理與成像速度的關(guān)系

小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)主要基于光學(xué)成像原理，分為生物發(fā)光成像（BLI）和熒光成像（FLI）兩種。生物發(fā)光成像利用熒光素酶催化底物氧化反應(yīng)產(chǎn)生光子，從而發(fā)出光信號(hào)；熒光成像則利用熒光染料或熒光蛋白等熒光標(biāo)記物質(zhì)，在特定波長(zhǎng)光激發(fā)下發(fā)出特定波長(zhǎng)的熒光信號(hào)。成像速度的提升，首先需要對(duì)這兩種成像原理有深入的理解。

生物發(fā)光成像的信號(hào)強(qiáng)度與熒光素酶的活性及底物濃度密切相關(guān)。因此，在實(shí)驗(yàn)中，選擇合適的熒光素酶和底物，以及優(yōu)化注射劑量和注射途徑，對(duì)于提高成像速度和信噪比（SNR）至關(guān)重要。熒光成像則受熒光染料的激發(fā)和發(fā)射光譜、激發(fā)光強(qiáng)度、曝光時(shí)間等多種因素影響。在優(yōu)化這些參數(shù)的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)更快的成像速度和更高的圖像質(zhì)量。

二、技術(shù)優(yōu)化與成像速度的提升

像素合并與曝光時(shí)間

圖像的信噪比（SNR）是影響成像速度的重要因素之一。通常，通過(guò)調(diào)整像素合并（Binning）和曝光時(shí)間來(lái)優(yōu)化SNR。在BLI中，使用適當(dāng)?shù)南袼睾喜ⅲㄈ?×4）和短曝光時(shí)間（如5秒）拍攝初始圖像。如果沒(méi)有檢測(cè)到信號(hào)，則使用更高的像素合并（如8×8或16×16）以及更長(zhǎng)的曝光時(shí)間（從60秒開(kāi)始，必要時(shí)可延長(zhǎng)至600秒）。對(duì)于FLI，則通常通過(guò)從中到高的像素合并（如4×4或8×8）和從短到中的曝光時(shí)間（如5到30秒）來(lái)實(shí)現(xiàn)最好的SNR。要避免在FLI中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間曝光，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致來(lái)自組織自體熒光所造成的背景噪音升高。

多模態(tài)成像技術(shù)

多模態(tài)小動(dòng)物活體光學(xué)成像系統(tǒng)能夠同時(shí)進(jìn)行高靈敏生物發(fā)光成像（BLI）、熒光成像（FLI）、X射線成像、切倫科夫成像（Cerenkov）以及明場(chǎng)成像等多種成像模式。通過(guò)融合展示和進(jìn)一步分析這些成像模式的數(shù)據(jù)，不僅可以提供更全面的生物學(xué)信息，還有助于提升成像速度。例如，在BLI和FLI的聯(lián)合成像中，可以通過(guò)優(yōu)化兩種成像模式的參數(shù)設(shè)置和成像順序，實(shí)現(xiàn)更快的成像速度和更高的圖像質(zhì)量。

成像系統(tǒng)硬件升級(jí)

隨著科技的進(jìn)步，小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)的硬件也在不斷更新?lián)Q代。采用更高靈敏度的探測(cè)器、更快速的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)以及更穩(wěn)定的光源等硬件升級(jí)措施，可以顯著提升成像速度。例如，一些先進(jìn)的成像系統(tǒng)采用了冷卻到-90℃的CCD傳感器，其信號(hào)采集和處理速度更快，有助于實(shí)現(xiàn)更快速的成像。

三、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與成像速度的提升

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的選擇與處理

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的選擇與處理對(duì)成像速度有著重要影響。盡可能使用無(wú)毛、白化或Hr突變的動(dòng)物品系，以減少毛發(fā)光吸收和光散射對(duì)成像速度的影響。如果由于動(dòng)物模型的遺傳背景或免疫能力狀況不允許使用這些品系，可以在成像前進(jìn)行剃毛或脫毛處理。剃毛或脫毛處理最好在成像前24小時(shí)進(jìn)行，以避免脫毛過(guò)程引起的皮膚炎癥對(duì)成像速度的影響。

此外，給動(dòng)物喂食無(wú)自發(fā)熒光的飲食也是提升成像速度的重要措施。在FLI中，如果動(dòng)物的飲食中含有富含葉綠素的植物（如苜蓿），動(dòng)物腸道就會(huì)產(chǎn)生近紅外（NIR）自發(fā)熒光。為了避免這種自發(fā)熒光對(duì)成像速度的影響，建議在成像前一周開(kāi)始給動(dòng)物喂食不含苜蓿的飲食。

底物注射途徑與劑量的優(yōu)化

底物注射途徑與劑量的優(yōu)化也是提升成像速度的關(guān)鍵。在BLI中，最常用的底物注射途徑是經(jīng)腹膜腔注射（IP）。然而，對(duì)于不同的疾病模型，可能需要考慮不同的注射途徑。例如，對(duì)于腹膜腔疾病模型，經(jīng)皮下注射（SC）被證明可以給出更好的圖像質(zhì)量，因?yàn)镮P注射可能導(dǎo)致人為地提高腹膜腔生物發(fā)光信號(hào)。此外，IP注射也增加了無(wú)意中將底物注入內(nèi)臟器官而非腹膜腔的風(fēng)險(xiǎn)。鑒于SC注射的失敗率較低，可以考慮將此法作為底物注射的默認(rèn)路徑。

底物注射劑量的優(yōu)化同樣重要。以D-熒光素為例，在成像當(dāng)天準(zhǔn)備新鮮的溶液，并給予150mg/kg的IP劑量，可以在大多數(shù)小鼠模型中實(shí)現(xiàn)一段時(shí)間的熒光素酶飽和動(dòng)力學(xué)。如果劑量過(guò)低，可能導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度不足，影響成像速度；如果劑量過(guò)高，則可能增加背景噪音，降低圖像質(zhì)量。

四、操作技巧與成像速度的提升

確定最佳動(dòng)物體位和方向

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，需要確定能夠發(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。此外，強(qiáng)烈建議在動(dòng)物之間使用分隔板，以防止信號(hào)的反射和互相干擾。

成像前清潔實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和儀器

成像前清潔實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和儀器也是提升成像速度的重要措施。動(dòng)物襯墊、食物和皮屑都可以產(chǎn)生背景熒光信號(hào)。因此，在成像之前，一定要擦拭凈動(dòng)物爪子，清潔成像平臺(tái)。最好用浸透70%乙醇的紙巾擦拭，以減少背景噪音對(duì)成像速度的影響。

建立生物發(fā)光信號(hào)的動(dòng)力學(xué)曲線

生物發(fā)光信號(hào)強(qiáng)度反映的是熒光素酶底物的動(dòng)態(tài)變化。這些動(dòng)態(tài)變化作為疾病相關(guān)的病理和生理結(jié)果，通常是組織依賴性的，也可以隨著時(shí)間的推移而變化。在運(yùn)用BLI的研究中，應(yīng)識(shí)別生物發(fā)光的峰值并比較其在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的經(jīng)時(shí)變化。最好通過(guò)在每個(gè)成像時(shí)間點(diǎn)建立生物發(fā)光動(dòng)力學(xué)曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。這種曲線是在熒光素注射后的一系列時(shí)間點(diǎn)內(nèi)，通過(guò)對(duì)動(dòng)物進(jìn)行注射、麻醉、然后成像來(lái)建立的。通常，成像開(kāi)始于注射后5分鐘，每5-10分鐘重復(fù)一次，并在信號(hào)強(qiáng)度開(kāi)始下降時(shí)結(jié)束。通過(guò)建立生物發(fā)光信號(hào)的動(dòng)力學(xué)曲線，可以更快地識(shí)別出最佳成像時(shí)間點(diǎn)，從而提升成像速度。

綜上所述，提升小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)的成像速度需要從成像原理、技術(shù)優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及操作技巧等多個(gè)方面入手。通過(guò)深入理解成像原理、優(yōu)化技術(shù)參數(shù)、選擇合適的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物與處理方法以及掌握操作技巧等措施，可以顯著提升小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)的成像速度，為生命科學(xué)研究提供更加高效、準(zhǔn)確的成像工具。

在未來(lái)的研究中，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和成像技術(shù)的不斷創(chuàng)新，小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)的成像速度有望得到進(jìn)一步提升。同時(shí)，科研人員也需要不斷探索新的成像方法和優(yōu)化策略，以滿足生命科學(xué)研究對(duì)成像速度和質(zhì)量的更高要求。