什么是活體成像?；铙w成像是一種在細(xì)胞和分子水平上應(yīng)用影像學(xué)方法對(duì)生物過程和時(shí)間上的定性和定量分析的科學(xué)技術(shù)。它能夠在不損傷實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的前提下，對(duì)活體狀態(tài)下的生物過程進(jìn)行組織、細(xì)胞和分子水平的定性和定量研究。通過這項(xiàng)技術(shù)，科學(xué)家們可以非侵入式、直觀地觀測(cè)活體動(dòng)物體內(nèi)腫瘤的生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移、感染性疾病的發(fā)展進(jìn)程、特定基因的表達(dá)等生物學(xué)過程。本文將詳細(xì)介紹活體成像的原理、技術(shù)類型、應(yīng)用領(lǐng)域以及其優(yōu)勢(shì)和局限性。

一、活體成像的原理

活體成像技術(shù)主要基于光學(xué)原理。光在哺乳動(dòng)物組織內(nèi)傳播時(shí)會(huì)被散射和吸收，而光子遇到細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象。不同類型的細(xì)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(cè)到。在相同的深度情況下，檢測(cè)到的發(fā)光強(qiáng)度和細(xì)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(shí)驗(yàn)動(dòng)物的組織并且可由儀器量化檢測(cè)到的光強(qiáng)度，同時(shí)反映出細(xì)胞的數(shù)量。

二、活體成像的技術(shù)類型

活體成像技術(shù)主要包括生物發(fā)光（bioluminescence）、熒光（fluorescence）、同位素成像（Isotopes）和X光成像（X-ray）等。其中，生物發(fā)光和熒光技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的兩種技術(shù)。

生物發(fā)光成像

生物發(fā)光成像技術(shù)利用熒光素酶（Luciferase）基因標(biāo)記細(xì)胞或DNA。熒光素酶基因被整合到細(xì)胞染色體DNA上，當(dāng)外源性底物熒光素（luciferin）被給予時(shí)，熒光素酶催化熒光素的氧化反應(yīng)，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(xì)胞內(nèi)才會(huì)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，并且光的強(qiáng)度與標(biāo)記細(xì)胞的數(shù)目線性相關(guān)。

生物發(fā)光成像技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，如實(shí)時(shí)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)體內(nèi)的各種生物學(xué)過程、背景噪聲低、靈敏度高、無放射性、不損傷體內(nèi)正常細(xì)胞等。然而，它也存在一些缺點(diǎn)，如成本較高、波長(zhǎng)短穿透力差、細(xì)胞構(gòu)建耗時(shí)費(fèi)力等。

熒光成像

熒光成像技術(shù)采用熒光報(bào)告基團(tuán)表達(dá)的熒光蛋白（如GFP、EGFP、RFP、YFP）、熒光染料等進(jìn)行標(biāo)記，然后利用儀器進(jìn)行檢測(cè)。熒光發(fā)光是通過激發(fā)光激發(fā)熒光基團(tuán)到達(dá)高能量狀態(tài)，而后產(chǎn)生波長(zhǎng)較激發(fā)光長(zhǎng)的發(fā)射光。熒光成像技術(shù)簡(jiǎn)單、方便、價(jià)廉，標(biāo)記靶點(diǎn)多樣，易于被大多數(shù)研究人員接受。然而，它也存在背景噪音強(qiáng)、靈敏度低、染料可能有毒性等缺點(diǎn)。

三、活體成像的應(yīng)用領(lǐng)域

活體成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，包括但不限于以下幾個(gè)方面：

腫瘤研究

活體成像技術(shù)可以實(shí)時(shí)觀察體內(nèi)腫瘤細(xì)胞的增殖、生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移情況，評(píng)估抗腫瘤藥物療效，建立腫瘤轉(zhuǎn)移模型等。通過熒光素酶基因標(biāo)記腫瘤細(xì)胞，可以建立各種可視腫瘤模型，實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)各種治療手段的治療效果，動(dòng)態(tài)觀察腫瘤細(xì)胞治療后的變化。

炎癥與免疫反應(yīng)監(jiān)測(cè)

通過標(biāo)記特定細(xì)胞或分子，活體成像技術(shù)可以追蹤體內(nèi)炎癥發(fā)生位置及其程度變化，評(píng)估免疫細(xì)胞的免疫特異性、增殖、遷移等功能。

基因表達(dá)分析

利用報(bào)告基因（如熒光素酶）標(biāo)記目標(biāo)基因，可以研究其在不同條件下的表達(dá)模式。通過將熒光素酶基因插入到目的基因啟動(dòng)子的下游，并穩(wěn)定整合于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物染色體中，可以形成轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型，直接觀察目的基因的表達(dá)模式。

藥物動(dòng)力學(xué)研究

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。通過標(biāo)記與藥物代謝有關(guān)的基因，可以研究不同藥物對(duì)該基因表達(dá)的影響，從而間接獲知相關(guān)藥物在體內(nèi)代謝的情況。

神經(jīng)科學(xué)應(yīng)用

活體成像技術(shù)可用于腦損傷后修復(fù)情況跟蹤、神經(jīng)退行性疾病模型中的病理特征可視化等。例如，通過標(biāo)記特定神經(jīng)細(xì)胞，可以觀察其在疾病模型中的變化。

干細(xì)胞研究

活體成像技術(shù)可以標(biāo)記移植的干細(xì)胞，觀察其在宿主體內(nèi)的分布和分化情況。通過標(biāo)記組成性表達(dá)的基因，在轉(zhuǎn)基因動(dòng)物水平標(biāo)記干細(xì)胞，可以示蹤干細(xì)胞在體內(nèi)的增殖、分化及遷移的過程。

感染性疾病模型

活體成像技術(shù)可以監(jiān)測(cè)細(xì)菌或病毒感染后病原體在體內(nèi)的擴(kuò)散路徑及宿主免疫應(yīng)答。通過標(biāo)記病原體或免疫細(xì)胞，可以實(shí)時(shí)觀察感染過程。

心血管系統(tǒng)功能評(píng)估

活體成像技術(shù)可用于心肌梗死模型的建立、血管新生過程的研究等。通過標(biāo)記特定心肌細(xì)胞或血管細(xì)胞，可以評(píng)估心血管系統(tǒng)功能。

四、活體成像的優(yōu)勢(shì)和局限性

活體成像技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)，如能夠連續(xù)、快速、遠(yuǎn)距離、無損傷地獲得人體分子細(xì)胞的三維圖像；可以揭示病變的早期分子生物學(xué)特征，推動(dòng)疾病的早期診斷和治療；為臨床診斷引入了新的概念。然而，它也存在一些局限性，如成像深度有限、結(jié)構(gòu)分辨率較低、無法臨床轉(zhuǎn)化等。

為了克服這些局限性，研究人員正在不斷探索新的成像技術(shù)和方法。例如，近紅外波長(zhǎng)的熒光染料和熒光蛋白的應(yīng)用可以提高信噪比和穿透深度；雙光子顯微鏡和多光子顯微鏡的應(yīng)用可以提高結(jié)構(gòu)分辨率和成像深度。

活體成像技術(shù)是一種在細(xì)胞和分子水平上應(yīng)用影像學(xué)方法對(duì)生物過程和時(shí)間上的定性和定量分析的科學(xué)技術(shù)。它能夠在不損傷實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的前提下，對(duì)活體狀態(tài)下的生物過程進(jìn)行組織、細(xì)胞和分子水平的定性和定量研究。通過這項(xiàng)技術(shù)，科學(xué)家們可以非侵入式、直觀地觀測(cè)活體動(dòng)物體內(nèi)腫瘤的生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移、感染性疾病的發(fā)展進(jìn)程、特定基因的表達(dá)等生物學(xué)過程。雖然活體成像技術(shù)存在一些局限性，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，它將在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。