活體熒光成像系統(tǒng)

一、 技術(shù)簡(jiǎn)介

活體生物熒光成像技術(shù)(in vivo bioluminescence imaging)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)分子、基因表達(dá)的分析檢測(cè)系統(tǒng)。它由敏感的CCD及其分析軟件和作為報(bào)告子的熒光素酶(luciferase)以及熒光素(luciferin)組成。利用靈敏的檢測(cè)方法，讓研究人員能夠直接監(jiān)控活體生物體內(nèi)腫瘤的生長(zhǎng)及轉(zhuǎn)移、感染性疾病發(fā)展過(guò)程、特定基因的表達(dá)等生物學(xué)過(guò)程。傳統(tǒng)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方法需要在不同的時(shí)間點(diǎn)宰殺實(shí)驗(yàn)動(dòng)物以獲得數(shù)據(jù), 得到多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。相比之下，可見(jiàn)光體內(nèi)成像通過(guò)對(duì)同一組實(shí)驗(yàn)對(duì)象在不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行記錄，跟蹤同一觀察目標(biāo)（標(biāo)記細(xì)胞及基因）的移動(dòng)及變化，所得的數(shù)據(jù)更加真實(shí)可信。因其操作極其簡(jiǎn)單、所得結(jié)果直觀、靈敏度高等特點(diǎn), 在剛剛發(fā)展起來(lái)的幾年時(shí)間內(nèi)，已廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)研究及藥物開(kāi)發(fā)等方面。


二、 原理

活體生物熒光成像技術(shù)是指在小的哺乳動(dòng)物體內(nèi)利用報(bào)告基因-熒光素酶基因表達(dá)所產(chǎn)生的熒光素酶蛋白與其小分子底物熒光素在氧、Mg2+離子存在的條件下消耗ATP發(fā)生氧化反應(yīng), 將部分化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光能釋放。然后在體外利用敏感的CCD設(shè)備形成圖像。熒光素酶基因可以被插入多種基因的啟動(dòng)子(promoter), 成為某種基因的報(bào)告基因, 通過(guò)監(jiān)測(cè)報(bào)告基因從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)基因的監(jiān)測(cè)。

生物熒光實(shí)質(zhì)是一種化學(xué)熒光,螢火蟲(chóng)熒光素酶在氧化其特有底物熒光素的過(guò)程中可以釋放波長(zhǎng)廣泛的可見(jiàn)光光子, 其平均波長(zhǎng)為560 nm(460-630 nm), 這其中包括重要的波長(zhǎng)超過(guò)600 nm的紅光成分。 在哺乳動(dòng)物體內(nèi)血紅蛋白是吸收可見(jiàn)光的主要成分, 能吸收中藍(lán)綠光波段的大部分可見(jiàn)光; 水和脂質(zhì)主要吸收紅外線, 但其均對(duì)波長(zhǎng)為590-800 nm的紅光至近紅外線吸收能力較差, 因此波長(zhǎng)超過(guò)600 nm的紅光雖然有部分散射消耗但大部分可以穿透哺乳動(dòng)物組織被敏感的CCD camera檢測(cè)到。

三、技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1．無(wú)創(chuàng)傷性;

2．可多次重復(fù)在不同時(shí)間點(diǎn)檢測(cè);

3．快速掃描成像(時(shí)間少于5 min);

4．可以使實(shí)驗(yàn)動(dòng)物整體成像;

5．同一實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)獲得全部時(shí)間點(diǎn)的整體數(shù)據(jù),用極少的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物而迅速獲得更全面的數(shù)據(jù),大大地節(jié)省了時(shí)間及經(jīng)費(fèi),減少了不同實(shí)驗(yàn)動(dòng)物之間的個(gè)體差異。

四、應(yīng)用

1． 在腫瘤方面的應(yīng)用

它可以快速的測(cè)量各種癌癥模型中腫瘤的生長(zhǎng), 并可對(duì)癌癥治療中癌細(xì)胞的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)評(píng)估; 可以無(wú)創(chuàng)傷地定量檢測(cè)小鼠整體的原位瘤、轉(zhuǎn)移瘤及自發(fā)瘤。如Hollingshead 等利用人類(lèi)膠質(zhì)瘤細(xì)胞系U251構(gòu)建U251-HRE細(xì)胞, 其中的熒光素酶基因表達(dá)受可誘導(dǎo)啟動(dòng)子的操控, 低氧狀態(tài)為其誘導(dǎo)條件, 因此在細(xì)胞處于低氧狀態(tài)下熒光素酶基因開(kāi)始表達(dá). 將此腫瘤細(xì)胞sc于裸鼠體內(nèi), 腫瘤增殖早期并無(wú)明顯熒光素酶表達(dá), 當(dāng)腫瘤達(dá)到了300-500 mg時(shí), 局部組織出現(xiàn)低氧狀態(tài), 此時(shí)可監(jiān)測(cè)到熒光素酶顯著表達(dá). 這種方法不僅僅監(jiān)測(cè)腫瘤本身, 更重要的是可以監(jiān)測(cè)腫瘤細(xì)胞所處的微環(huán)境.

2． 在監(jiān)測(cè)感染和炎癥方面的應(yīng)用

熒光素酶基因標(biāo)記病毒和細(xì)菌, 利用活體生物熒光成像技術(shù)可以檢測(cè)到，并能連續(xù)觀察其對(duì)機(jī)體的侵染過(guò)程以及抗病毒藥物和抗生素對(duì)其病理過(guò)程的影響。如Contag et 等用細(xì)菌熒光素酶標(biāo)靶沙門(mén)菌, 并用活體生物熒光成像追蹤細(xì)菌感染.。

3． 活體生物熒光成像技術(shù)和細(xì)胞示蹤

活體生物熒光成像技術(shù)還可應(yīng)用到免疫細(xì)胞、干細(xì)胞、細(xì)胞凋亡等研究領(lǐng)域.。如Costa 等通過(guò)活體生物熒光成像可以追蹤到T淋巴細(xì)胞聚集于中樞神經(jīng)系統(tǒng)。

五、生產(chǎn)廠家

1．美國(guó)KODAKImage Station In-Vivo FX多功能活體成像系統(tǒng)

1．1簡(jiǎn)介：該系統(tǒng)采用了Kodak公司科研級(jí)的超高靈敏度4百萬(wàn)象素冷CCD，高安全標(biāo)準(zhǔn)的X-光模塊，以及專(zhuān)利的放射性同位素磷屏等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)發(fā)光、全波長(zhǎng)范圍熒光、放射性同位素以及X-光等的多功能檢測(cè)功能。友好的動(dòng)物樣品室的設(shè)計(jì)方便了活體動(dòng)物標(biāo)本的成像操作，是目前市場(chǎng)上最適合與做活體成像研究的強(qiáng)力工具。

1．2技術(shù)參數(shù)

 2048×2048象素、16位制冷CCD相機(jī)

 可控強(qiáng)度X-光模塊

 外置150瓦高強(qiáng)度鹵鎢燈光源

 5位置激發(fā)光濾光片輪，標(biāo)配4個(gè)可選波長(zhǎng)激發(fā)光濾光片

 4位置發(fā)射光濾光片輪，標(biāo)配4個(gè)可選波長(zhǎng)發(fā)射光濾光片

 X-光磷屏

 放射性同位素磷屏

 動(dòng)物樣品室

 Kodak MI分子成像分析軟件(3用戶(hù))

 一年免費(fèi)維修服務(wù)。



2．美國(guó)精諾真（Xengon）活體動(dòng)物體內(nèi)成像系統(tǒng)

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

a) 高靈敏度：精諾真活體成像技術(shù)可檢測(cè)到實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)少至幾百個(gè)細(xì)胞的腫瘤病灶. 目前采用的其它檢測(cè)方法的檢測(cè)極限是直徑1mm左右的腫瘤，大約由10的6次方 或10的7次方個(gè)細(xì)胞組成. 精諾真活體成像技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相比，靈敏度提高了幾千倍。

b) 高通量：不再需要處死小鼠，解剖，染色，病理分析等實(shí)驗(yàn)過(guò)程。精諾真成像系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)室人員都可使用。一天時(shí)間就可以檢測(cè)幾百只實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，立刻得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使制藥企業(yè)進(jìn)行大規(guī)模, 高通量動(dòng)物研究成為現(xiàn)實(shí)。

c) 定量結(jié)果：實(shí)驗(yàn)結(jié)果以靶細(xì)胞單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射光子數(shù)的絕對(duì)量表示，它與標(biāo)記的靶細(xì)胞數(shù)量或基因表達(dá)情況直接線性相關(guān)。利用精諾真活體成像技術(shù)可以精確地定量分析藥效, 藥理, 及毒理結(jié)果。

d) 自身對(duì)照：利用在不同的時(shí)間點(diǎn)觀察同一只動(dòng)物得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以更好地了解疾病病理，藥物動(dòng)力學(xué)及發(fā)生在活體動(dòng)物體內(nèi)的其它生物學(xué)和藥理過(guò)程。高效率的藥物篩選模型使研究人員能在動(dòng)物試驗(yàn)階段收集更多的數(shù)據(jù)。通過(guò)增加實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)間過(guò)程，精諾真技術(shù)能夠更加準(zhǔn)確和定量地檢測(cè)出藥物與正�；虿±磉^(guò)程之間的關(guān)系。

e) 動(dòng)物疾病模型：利用可發(fā)光轉(zhuǎn)基因動(dòng)物技術(shù), 精諾真公司構(gòu)建和提供各種腫瘤, 藥理和毒理研究, 代謝, 內(nèi)分泌, 過(guò)敏性, 免疫性疾病, 以及其它多種疾病的動(dòng)物模型。這些動(dòng)物模型已被國(guó)際制藥公司和生物技術(shù)公司廣泛應(yīng)用于藥物的研發(fā)和報(bào)批過(guò)程中. 2005年4月的自然雜志(Nature Review)還專(zhuān)門(mén)對(duì)此技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)述。

f) 成熟和普遍認(rèn)可的技術(shù)：利用精諾真體內(nèi)成像技術(shù), 在歐美已有幾百篇發(fā)表在高級(jí)別雜志上的文章。 大部分的制藥企業(yè)已利用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行藥物開(kāi)發(fā), 在對(duì)FDA的新藥申報(bào)和FDA藥物批準(zhǔn)文件中采用這種技術(shù)作為動(dòng)物研究的主要手段。包括Novartis, Pfizer, Merck, Bayer, BMS, Chiron, Biogen, and GSK, 等等。


六、前景

活體動(dòng)物熒光成像技術(shù)讓研究人員能夠觀察活體動(dòng)物體內(nèi)的基因表達(dá)和細(xì)胞活動(dòng)，是將分子及細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)從體外研究發(fā)展到活體動(dòng)物體內(nèi)的強(qiáng)有力手段，正在被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)及生物學(xué)研究領(lǐng)域。由于其檢測(cè)靈敏度極高，且操作簡(jiǎn)單，費(fèi)用相對(duì)低廉，因此在生物科學(xué)研究領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間。