小動物活體成像系統(tǒng)是一種先進的科研儀器，它結(jié)合了光學(xué)、電子學(xué)、計算機科學(xué)等多學(xué)科技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對小動物活體進行非侵入性的成像檢測。該系統(tǒng)主要基于生物發(fā)光和熒光兩種技術(shù)。生物發(fā)光技術(shù)通過將熒光素酶基因標(biāo)記到細(xì)胞或DNA上，當(dāng)細(xì)胞被注射熒光素后，在ATP和氧氣的存在下，熒光素酶會催化熒光素的氧化反應(yīng)，從而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，這種發(fā)光只在活細(xì)胞內(nèi)發(fā)生，且光的強度與標(biāo)記細(xì)胞的數(shù)目呈線性關(guān)系。熒光技術(shù)則采用熒光報告基因（如GFP、RFP等）或熒光染料進行標(biāo)記，利用報告基因產(chǎn)生熒光蛋白或染料產(chǎn)生的熒光，在生物體內(nèi)形成光源。該系統(tǒng)具有高靈敏度、高分辨率、實時成像等優(yōu)點，能夠在不傷害動物的情況下，對活體動物體內(nèi)的生理過程、分子事件及疾病進展進行實時監(jiān)測。

在肺部疾病監(jiān)測中的應(yīng)用

肺部疾病成像

肺部由于充斥著大量空氣，其CT值與其他器官存在明顯差異，因此可以利用小動物活體成像系統(tǒng)結(jié)合呼吸門控技術(shù)對肺炎、肺損傷、肺氣腫、肺纖維化、氣管炎、哮喘及肺癌等肺部疾病進行直接成像，且無需造影劑。當(dāng)肺部發(fā)生病變時，如肺炎，肺部組織會被炎癥細(xì)胞浸潤，原本充盈空氣的組織被免疫細(xì)胞占據(jù)，從而導(dǎo)致影像的灰度上升。通過軟件進行重構(gòu)和閾值分割，可以清晰地觀察到肺部病變的范圍和程度。對于肺癌，小動物活體成像系統(tǒng)可以實時監(jiān)測腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移情況，為肺癌的研究和治療提供重要依據(jù)。

治療效果評估

在肺部疾病的治療過程中，小動物活體成像系統(tǒng)可以用于評估治療效果。以肺纖維化為例，通過定期對患病動物進行成像檢測，觀察肺部纖維化組織的變化情況，可以判斷治療藥物是否有效。如果治療有效，肺部纖維化組織的面積會逐漸減小，影像的灰度也會相應(yīng)降低。這種無創(chuàng)的評估方法不僅可以減少對動物的傷害，還可以實時監(jiān)測治療效果，為調(diào)整治療方案提供及時的信息。

在肺功能評估中的應(yīng)用

肺容積測量

小動物活體成像系統(tǒng)可以通過軟件對肺部影像進行重構(gòu)和閾值分割，得到肺中空氣的體積，即能夠行使肺部功能的正常肺組織體積。通過這種方法，可以方便地監(jiān)測肺部疾病的進程和治療的效果。例如，在肺氣腫的研究中，通過測量肺容積的變化，可以了解肺氣腫的發(fā)展程度。肺氣腫患者的肺部彈性降低，肺回彈無力，導(dǎo)致吸氣時的空氣滯留于肺泡內(nèi)，肺泡過度膨脹甚至破裂。小動物活體成像系統(tǒng)可以清晰地觀察到這種肺容積的變化，為肺氣腫的研究和治療提供重要數(shù)據(jù)。

功能性參數(shù)測量

除了肺容積測量外，小動物活體成像系統(tǒng)還可以測量肺部的功能性參數(shù)，如功能余氣量（FRC）和潮氣量（VT）。通過在活體狀態(tài)下對肺的呼吸進行動態(tài)的門控拍攝，可以得到比肺容積更有用的參數(shù)。利用軟件進行閾值分割后，可以將左肺和右肺的參數(shù)分別進行統(tǒng)計，得到每個時間點的肺容積。再通過每一個時間點的容積和相鄰時間點之間的容積差，即可得到容積（V）—時間（t）、流量（ΔV）—時間（t）和流量—容積環(huán)圖等功能性曲線。這些功能性參數(shù)可以全面地評估肺功能，揭示肺部疾病病理變化的組織不均一性。

在肺血管研究中的應(yīng)用

肺血管成像

小動物活體成像系統(tǒng)可以用于肺血管的成像研究。通過標(biāo)記特定的細(xì)胞或分子，如血管內(nèi)皮細(xì)胞，可以清晰地觀察到肺血管的形態(tài)和分布。這對于研究肺血管疾病，如肺動脈高壓等具有重要意義。肺動脈高壓是一種嚴(yán)重的心血管疾病，其發(fā)病機制復(fù)雜，涉及肺血管的重構(gòu)和功能障礙。小動物活體成像系統(tǒng)可以實時監(jiān)測肺血管的變化，為研究肺動脈高壓的發(fā)病機制和治療方法提供新的手段。

血液細(xì)胞活動觀察

加州大學(xué)舊金山分校的盧尼教授和同校的病理學(xué)專家馬修·克魯梅爾教授一起發(fā)明了“雙光子活體成像”技術(shù)，并將其應(yīng)用于肺血管的研究中。他們選取了一種經(jīng)過基因改造的小鼠，這種小鼠體內(nèi)的血細(xì)胞可以發(fā)出明亮的綠色熒光。運用這一先進的技術(shù)，研究人員可以看到活小鼠肺部血管內(nèi)的細(xì)胞活動情況。在一次日常的研究中，盧尼教授團隊利用“雙光子活體成像”技術(shù)觀察小鼠的血小板與肺部免疫系統(tǒng)之間的相互作用，意外地發(fā)現(xiàn)肺部血管中存在大量可以生成血小板的巨核細(xì)胞和造血祖細(xì)胞。這一發(fā)現(xiàn)為肺血管的研究開辟了新的方向，有助于深入理解肺血管的生理和病理機制。

在呼吸系統(tǒng)發(fā)育與修復(fù)研究中的應(yīng)用

呼吸系統(tǒng)發(fā)育研究

小動物活體成像系統(tǒng)可以用于研究呼吸系統(tǒng)的發(fā)育過程。通過標(biāo)記呼吸系統(tǒng)發(fā)育過程中的關(guān)鍵細(xì)胞或分子，可以實時觀察呼吸系統(tǒng)的形態(tài)變化和細(xì)胞分化情況。例如，在肺泡的發(fā)育過程中，小動物活體成像系統(tǒng)可以清晰地觀察到肺泡的形成和擴張過程，為研究肺泡發(fā)育的調(diào)控機制提供重要信息。

呼吸系統(tǒng)修復(fù)研究

在呼吸系統(tǒng)受到損傷后，小動物活體成像系統(tǒng)可以用于研究呼吸系統(tǒng)的修復(fù)過程。通過標(biāo)記移植的干細(xì)胞或修復(fù)因子，可以觀察其在呼吸系統(tǒng)內(nèi)的分布和作用情況。例如，在肺損傷修復(fù)研究中，小動物活體成像系統(tǒng)可以實時監(jiān)測移植干細(xì)胞在肺部的存活、遷移和分化情況，評估干細(xì)胞修復(fù)肺損傷的效果。

小動物活體成像系統(tǒng)在呼吸系統(tǒng)研究中具有廣泛的應(yīng)用前景。它憑借非侵入性成像、高靈敏度檢測等技術(shù)優(yōu)勢，在肺部疾病監(jiān)測、肺功能評估、肺血管研究以及呼吸系統(tǒng)發(fā)育與修復(fù)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。通過小動物活體成像系統(tǒng)，研究人員可以更加深入地了解呼吸系統(tǒng)的生理病理機制，為呼吸系統(tǒng)疾病的治療研究提供新的手段和視角。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，小動物活體成像系統(tǒng)將在呼吸系統(tǒng)研究中發(fā)揮更加重要的作用，為人類健康事業(yè)做出更大的貢獻。