活體動物體內光學成像（一）

活體動物體內光學成像主要采用生物發光與熒光兩種技術。生物發光是用熒光素酶基因標記細胞或DNA，而熒光技術則采用熒光報告基團（GFP、RFP, Cy5及Cy7等）進行標記。該技術最初是由美國斯坦福大學的科學家采用了世界上最優秀的高性能CCD研發與生產制造商Roper scientific公司最新研發的背部薄化、背照射冷CCD，配合密閉性非常好的暗箱，使得直接監控活體生物體內的細胞活動和基因行為成為現實。科學家借此可以觀測活體動物體內腫瘤的生長及轉移、感染性疾病發展過程、特定基因的表達等生物學過程。所以說該技術是伴隨著背部薄化、背照射冷CCD的產生而產生，并隨著該CCD技術的發展而發展。由于具有更高量子效率CCD的問世，使活體動物體內光學成像技術具有越來越高的靈敏度，對腫瘤微小轉移灶的檢測靈敏度極高；另外，該技術不涉及放射性物質和方法, 非常安全。 因其操作極其簡單、所得結果直觀、靈敏度高等特點, 在剛剛發展起來的幾年時間內，已廣泛應用于生命科學、醫學研究及藥物開發等方面。隨著活體成像技術的逐漸普及，Roper scientific 公司將由幕后走到臺前，直接介入活體生物發光和熒光成像技術市場，將向中國的科研工作者提供價格更實惠、性能更卓越的活體成像儀器，促進該技術更好的的普及和提高。由于卓越的背照射冷CCD技術的問世，科學家利用此技術進行了大量的研究，才使近年來產生了大量的高水平的應用活體成像技術進行腫瘤學、基因治療、流行病學等研究的文獻，極大的促進了生物醫學在分子成像方面的發展。

1. 標記原理
哺乳動物生物發光，是將Fluc基因整合到細胞染色體DNA上以表達熒光素酶，當外源（腹腔或靜脈注射）給予其底物熒光素(luciferin)，即可在幾分鐘內產生發光現象。這種酶在ATP及氧氣的存在條件下，催化熒光素的氧化反應才可以發光，因此只有在活細胞內才會產生發光現象，并且光的強度與標記細胞的數目線性相關。對于細菌，lux操縱子由編碼熒光素酶的基因和編碼熒光素酶底物合成酶的基因組成，帶有這種操縱子的細菌會持續發光，不需要外源性底物。
基因、細胞和活體動物都可被熒光素酶基因標記。標記細胞的方法基本上是通過分子生物學克隆技術, 將熒光素酶的基因插到預期觀察的細胞的染色體內，通過單克隆細胞技術的篩選, 培養出能穩定表達熒光素酶的細胞株。將標記好的細胞注入小鼠體內后, 觀測前需要注射熒光素酶的底物—熒光素，為約280道爾頓的小分子。熒光素脂溶性非常好, 很容易透過血腦屏障。注射一次熒光素能保持小鼠體內熒光素酶標記的細胞發光30-45分鐘。每次熒光素酶催化反應只產生一個光子，這是肉眼無法觀察到的，應用一個高度靈敏的 VERSARRAY 1300B制冷CCD相機及特別設計的成像暗箱和成像軟件，可觀測并記錄到這些光子。

2. 光學原理
光在哺乳動物組織內傳播時會被散射和吸收，光子遇到細胞膜和細胞質時會發生折射現象，而且不同類型的細胞和組織吸收光子的特性并不一樣。在偏紅光區域, 大量的光可以穿過組織和皮膚而被檢測到。利用靈敏的活體成像系統最少可以看到皮下的500個細胞，當然，由于發光源在老鼠體內深度的不同可看到的最少細胞數是不同的。在相同的深度情況下, 檢測到的發光強度和細胞的數量具有非常好的線性關系。可見光體內成像技術的基本原理在于光可以穿透實驗動物的組織并且可由儀器量化檢測到的光強度，同時反映出細胞的數量。