活體成像概述

一、引子  

自從Roentgen發現了X光的用途，動物活體成像就走進了科學家的視野。活體成像有很多種模式，除了X光的離子輻射成像，還有聲音、磁鐵甚至光光成像。

每種都有缺點和優點，舉例來說，要確定解剖結構的位置和形狀，CT掃描、MRI、超聲波可能是較好的選擇，但涉及到腫瘤細胞的注射位置、表達層面，他們就不能提供必要的信息。

光學成像：化學發光和熒光技術出現了幾十年了，由于其相對低的花費、容易操作、高靈敏度、能長期追蹤、低毒性等特點而成為活體成像中有效的方法。

“熒光探針和化學發光報告子技術的發展使光學成像在臨床前分子成像方面得到廣泛應用”加利福尼亞州的Simon Cherry 說。

早在利用結構成像檢測拓撲學變化前，光學成像就確立了其在小動物模式下藥物合成方面的潛能。它還打算建立小動物疾病的生物標記，最終應用到臨床上。

二、化學發光和熒光技術的原理

化學發光和熒光的原理都很簡單，前者產生螢火蟲和海里生物的光，這是熒光素酶和其底物發生反應的結果，產生電子激發狀態，然后發光。

通過生物工程操作，細胞甚至動物都可以產生熒光素酶，其他象ATP和鈣離子也能發生類似反應，這樣化學發光成為多種分析方法的有效工具。

熒光技術和化學發光相似，只不過是熒光分子在不同波長下得到激發，壽命更短些，類似磷光。

三、活體成像

利用這些原理，驅動轉基因熒光素酶的啟動子、熒光標記的抗體和藥物都可以在活體動物上成像，動物注射被靜脈熒光素底物或藥物后，關在不透光的密室內，一旦熒光素酶和底物反應，發出的光被化學發光檢測系統捕獲。同樣，熒光成像系統對抗體或藥物成像。精密的檢測系統和軟件把從動物體內采集到的信號轉成圖像呈現在屏幕上。

有些成像系統可以同時檢測5個動物，通過持續輸入麻醉劑，能長時間采集信號。數據是動態且長期的，長達數小時、數天、甚至幾個月。

四、各廠家的活體成像有什么不同？--唇槍舌戰

然而小動物光學成像系統并不一樣，有些參數需要考慮，每個系統提供它自己的生產、采圖和處理數據，但是他們在某些地方做的好不好是非常不同的。

因為不用外來光源以及哺乳動物很少發化學光，所以化學發光成像系統的背景很低，它們的敏感性很高。但是它們的局限是，研究者通過生物工程或注射方法導入報告子的能力有限，因此熒光成為更好的選擇。

熒光活體成像需要外置光源，采用激光或白光源，和檢測器放在動物的同側，或對面。

據Caliper Life Sciences公司的副總裁Mark Roskey說，公司的IVIS系統利用透射光照明，此時檢測器和光源在動物的對面，因此在信噪比上有很大優勢。

然而，由于檢測過程中，可見光、一部分近紅外光都被組織吸收了，用這個方法檢測的動物大小就受到限制。同時，在檢測心臟、肝、脾等血紅蛋白密集的器官時更要注意。

Advanced Research Technology (ART)公司開發的eXplore Optix系統利用每100P秒一個脈沖激發熒光，它不僅采集到發射的波長數據，還收集到時間的數據。ART負責Optix銷售和市場的副總裁Pierre Couture認為，這個生命周期分析系統允許研究者更好的理解動物體內某個特定的過程。例如，某些熒光分子的衰減曲線隨環境的變化，如PH，或位置的變化而改變。這個系統要比其他活體成像貴幾倍。

 CRI公司的系統因結合電子可調濾片和多光譜分析等特點而在業界享有盛名，因此它在解決自發熒光或熒光串色上有優勢，可以實現多個熒光分子的同時成像。

Kodak的In-Vivo Imaging System FX Pro系統為多模式成像提供了CT掃描，能夠在一臺機器上采集功能（分子）和結構（解剖）的信息。“用我們的系統可以做熒光、化學發光，在動物下放個磷屏還可以看X射線成像”。

中科愷盛的在體生物光學分子成像與分析平臺(Molecular Optical Simulation Environment, MOSE)。MOSE是基于蒙特卡洛方法來仿真光子在生物組織中以及自由空間中傳播的平臺，通過仿真可以預測小動物體體內和表面的光強信號分布。

一個系統的優點，其他的系統可能用不同的方式完成同一工作，或者并不重視這個工作的重要性。

Roskey說，IVIS用光譜解串色和去卷積等功能完成多光譜分析。

IVIS和eXplore 都能提供拓撲學版本，盡管Couture對此有些不高興，他提到，“我們出了在Q2下可用的新版本，能做三維重建。”

Couture還提到eXplore Optix可以和GE的eXplore Locus CT scanner 連用，利用軟件可以對圖像三維疊加（然而，McLaughlin說Kodak的軟件不需要這種軟件）。

五、展望未來

現在他們在做什么？以后呢？例如，Kodak還有國內的中科愷盛正在做3D分析和多光譜成像的研究。中科愷盛推出的最新Micro-CT產品對組織穿透力大，可與熒光成像系統整合組成多模態系統，完備的動物數據庫，極大降低成像偽影。

總的來說，這個行業正在解決光學成像能適用的組織，是否可以讓狗、猴子甚至人成像。Roskey 認為，將更亮更特異的染料、更先進的生物工程技術和儀器的設計結合起來，就有可能完成這一難題。