活体成像概述

一、引子  

自从Roentgen发现了X光的用途，动物活体成像就走进了科学家的视野。活体成像有很多种模式，除了X光的离子辐射成像，还有声音、磁铁甚至光光成像。

每种都有缺点和优点，举例来说，要确定解剖结构的位置和形状，CT扫描、MRI、超声波可能是较好的选择，但涉及到肿瘤细胞的注射位置、表达层面，他们就不能提供必要的信息。

光学成像：化学发光和荧光技术出现了几十年了，由于其相对低的花费、容易操作、高灵敏度、能长期追踪、低毒性等特点而成为活体成像中有效的方法。

“荧光探针和化学发光报告子技术的发展使光学成像在临床前分子成像方面得到广泛应用”加利福尼亚州的Simon Cherry 说。

早在利用结构成像检测拓扑学变化前，光学成像就确立了其在小动物模式下药物合成方面的潜能。它还打算建立小动物疾病的生物标记，最终应用到临床上。

二、化学发光和荧光技术的原理

化学发光和荧光的原理都很简单，前者产生萤火虫和海里生物的光，这是荧光素酶和其底物发生反应的结果，产生电子激发状态，然后发光。

通过生物工程操作，细胞甚至动物都可以产生荧光素酶，其他象ATP和钙离子也能发生类似反应，这样化学发光成为多种分析方法的有效工具。

荧光技术和化学发光相似，只不过是荧光分子在不同波长下得到激发，寿命更短些，类似磷光。

三、活体成像

利用这些原理，驱动转基因荧光素酶的启动子、荧光标记的抗体和药物都可以在活体动物上成像，动物注射被静脉荧光素底物或药物后，关在不透光的密室内，一旦荧光素酶和底物反应，发出的光被化学发光检测系统捕获。同样，荧光成像系统对抗体或药物成像。精密的检测系统和软件把从动物体内采集到的信号转成图像呈现在屏幕上。

有些成像系统可以同时检测5个动物，通过持续输入麻醉剂，能长时间采集信号。数据是动态且长期的，长达数小时、数天、甚至几个月。

四、各厂家的活体成像有什么不同？--唇枪舌战

然而小动物光学成像系统并不一样，有些参数需要考虑，每个系统提供它自己的生产、采图和处理数据，但是他们在某些地方做的好不好是非常不同的。

因为不用外来光源以及哺乳动物很少发化学光，所以化学发光成像系统的背景很低，它们的敏感性很高。但是它们的局限是，研究者通过生物工程或注射方法导入报告子的能力有限，因此荧光成为更好的选择。

荧光活体成像需要外置光源，采用激光或白光源，和检测器放在动物的同侧，或对面。

据Caliper Life Sciences公司的副总裁Mark Roskey说，公司的IVIS系统利用透射光照明，此时检测器和光源在动物的对面，因此在信噪比上有很大优势。

然而，由于检测过程中，可见光、一部分近红外光都被组织吸收了，用这个方法检测的动物大小就受到限制。同时，在检测心脏、肝、脾等血红蛋白密集的器官时更要注意。

Advanced Research Technology (ART)公司开发的eXplore Optix系统利用每100P秒一个脉冲激发荧光，它不仅采集到发射的波长数据，还收集到时间的数据。ART负责Optix销售和市场的副总裁Pierre Couture认为，这个生命周期分析系统允许研究者更好的理解动物体内某个特定的过程。例如，某些荧光分子的衰减曲线随环境的变化，如PH，或位置的变化而改变。这个系统要比其他活体成像贵几倍。

 CRI公司的系统因结合电子可调滤片和多光谱分析等特点而在业界享有盛名，因此它在解决自发荧光或荧光串色上有优势，可以实现多个荧光分子的同时成像。

Kodak的In-Vivo Imaging System FX Pro系统为多模式成像提供了CT扫描，能够在一台机器上采集功能（分子）和结构（解剖）的信息。“用我们的系统可以做荧光、化学发光，在动物下放个磷屏还可以看X射线成像”。

中科恺盛的在体生物光学分子成像与分析平台(Molecular Optical Simulation Environment, MOSE)。MOSE是基于蒙特卡洛方法来仿真光子在生物组织中以及自由空间中传播的平台，通过仿真可以预测小动物体体内和表面的光强信号分布。

一个系统的优点，其他的系统可能用不同的方式完成同一工作，或者并不重视这个工作的重要性。

Roskey说，IVIS用光谱解串色和去卷积等功能完成多光谱分析。

IVIS和eXplore 都能提供拓扑学版本，尽管Couture对此有些不高兴，他提到，“我们出了在Q2下可用的新版本，能做三维重建。”

Couture还提到eXplore Optix可以和GE的eXplore Locus CT scanner 连用，利用软件可以对图像三维叠加（然而，McLaughlin说Kodak的软件不需要这种软件）。

五、展望未来

现在他们在做什么？以后呢？例如，Kodak还有国内的中科恺盛正在做3D分析和多光谱成像的研究。中科恺盛推出的最新Micro-CT产品对组织穿透力大，可与荧光成像系统整合组成多模态系统，完备的动物数据库，极大降低成像伪影。

总的来说，这个行业正在解决光学成像能适用的组织，是否可以让狗、猴子甚至人成像。Roskey 认为，将更亮更特异的染料、更先进的生物工程技术和仪器的设计结合起来，就有可能完成这一难题。