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1、动物活体成像技术 Animal Vivo Imaging Technology,北京广源达科技,内 容,动物活体成像技术的背景动物活体成像技术的分类几种动物活体成像技术的比较动物活体光学成像技术的原理与系统构 成CRI公司动物活体荧光成像系统CRI公司动物活体荧光成像系统的应用,动物活体成像的背景,1999年，美国哈佛大学Weissleder等人提出了分子影像学（molecular imaging）的概念应用影像学方法，对活体状态下的生物过程进行细胞和分子水平的定性和定量研究。传统成像大多依赖于肉眼可见的身体、生理和代谢过程在疾病状态下的变化，而不是了解疾病的特异性分子事件。分子成像则是利用特
2、异性分子探针追踪靶目标并成像。这种从非特异性成像到特异性成像的变化，为疾病生物学、疾病早期检测、定性、评估和治疗带来了重大的影响。,动物活体成像的背景,分子成像技术使活体动物体内成像成为可能，它的出现，归功于分子生物学和细胞生物学的发展、转基因动物模型的使用、新的成像药物的运用、高特异性的探针、小动物成像设备的发展等诸多因素。目前，分子成像技术可用于研究观测特异性细胞、基因和分子的表达或互作过程，同时检测多种分子事件，追踪靶细胞，药物和基因治疗最优化，从分子和细胞水平对药物疗效进行成像，从分子病理水平评估疾病发展过程，对同一个动物或病人进行时间、环境、发展和治疗影响跟踪。,动物活体成像的背景,
3、活体生物体内检验是生物研究的最终验证,体外试验（In Vitro）分子生物学技术 克隆技术 蛋白组学 等等,体内反应（In Vivo）研究方法受体内环境制约，很难准确反映体内情况,体外检验（Ex Vivo）PCR 电泳 组织病理学 肿瘤称量 等等,活体生物体内成像（In Vivo Imaging Technology）,动物活体成像的背景,分子成像的优点：分子成像和传统的体外成像或细胞培养相比有着显著优点。分子成像能够反映细胞或基因表达的空间和时间分布，从而了解活体动物体内的相关生物学过程、特异性基因功能和相互作用。分子成像由于可以对同一个研究个体进行长时间反复跟踪成像，既可以提高数据的可比性
4、，避免个体差异对试验结果的可影响，又不需要杀死模式动物，节省了大笔科研费用。分子成像应用尤其在药物开发方面，更是具有划时代的意义。根据目前的统计结果，由于进入临床研究的药物中大部分因为安全问题而终止，导致了在临床研究中大量的资金浪费，而分子成像技术的问世，为解决这一难题提供了广阔的空间，将使药物在临床前研究中通过利用分子成像的方法，获得更详细的分子或基因述水平的数据，这是用传统的方法无法了解的领域，所以分子成像将对新药研究的模式带来革命性变革。其次，在转基因动物、动物基因打靶或制药研究过程中，分子成像能对动物的性状进行跟踪检测，对表型进行直接观测和（定量）分析。,动物活体成像技术的分类,活体成
5、像技术主要分为五大类：光学成像（Optical Imaging with visible light and Fluorescence）荧光成像（Fluorescence）生物发光成像（Bioluminescence）核素成像Positron-Emission Tomography 简称PET 正电子发射或衍射断层扫描 Single-Photon-Emission Computed Tomography 简称SPECT 单光子发射或者衍射磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）包括功能性核磁共振（Functional MRI，fMRI）,心血管核磁共振（Car
6、dio-vascular MRI，cMRI），等等超声成像（Ultrasound）CT成像,动物活体成像技术的分类,光学成像 活体动物体内光学成像(Optical in vivo Imaging)主要采用生物发光（bioluminescence）两种技术与荧光（fluorescence）。生物发光是用荧光素酶(Luciferase)基因标记细胞或DNA，而荧光技术则采用荧光报告基团（GFP、RFP,Cyt及dyes等）进行标记。利用一套非常灵敏的光学检测仪器，让研究人员能够直接监控活体生物体内的细胞活动和基因行为。通过这个系统，可以观测活体动物体内肿瘤的生长及转移、感染性疾病发展过程、特定基因
7、的表达等生物学过程。传统的动物实验方法需要在不同的时间点宰杀实验动物以获得数据,得到多个时间点的实验结果。相比之下，可见光体内成像通过对同一组实验对象在不同时间点进行记录，跟踪同一观察目标（标记细胞及基因）的移动及变化，所得的数据更加真实可信。另外,这一技术对肿瘤微小转移灶的检测灵敏度极高，不涉及放射性物质和方法,非常安全。因其操作极其简单、所得结果直观、灵敏度高等特点,在刚刚发展起来的几年时间内，已广泛应用于生命科学、医学研究及药物开发等方面。,动物活体成像技术的分类,核素成像核素成像技术用于发现易于为核素标记的既定靶目标底物的存在，或用于追踪小量标记基因药物和进行许多药物抵抗或病毒载体的传
8、送。包括微PET、微SPECT。其中，微PET（正电子发射断层扫描仪Positron Emission Tomography）在目前的分子影像学研究中占据着极其重要的地位。最先开始的分子影像学研究就是用PET完成的，如今，用微PET进行的单纯胞疹病毒胸苷激酶的分子影像学技术已应用于临床试验中。,动物活体成像技术的分类,微PET技术是将正电子同位素标记的化合物注入生物体内作为探针，当这些化合物参与生物体内的代谢过程时，PET按照同位素放射性分布的绝对量进行连续性扫描，根据动力学原理和图像数据，对活体组织中的生理生化代谢过程作出定量分析，如血流量、能量代谢、蛋白质合成、脂肪酸代谢、神经递质合成速度
9、、受体密度及其与配体结合的选择性和动力学等。PET 通常使用的探针是用11C，14N，15O 及18F 等生物组织中含量最多元素的放射性核素标记的化合物，它们具有与体内分子类似（包括细胞代谢）的特点。在药理学研究中，则可以用正电子同位素直接标记药物，观察其在活体中的分布和代谢，或测量生理性刺激及病理学过程中药物分布与代谢的变化，从而对药物剂量、作用部位、可能发生的毒副作用等做出前瞻性判断。还可以判断其代谢反应的类型及产物，观察药物与其他药物的相互作用、药物与营养物质的相互作用、药物与受体的作用、药物与酶的相互作用等。,动物活体成像技术的分类,磁共振成像磁共振（MRI）分子影像学的优势在于它的高
10、分辨率（已达到m级），同时可获得解剖及生理信息。这些正是核医学、光学成像的弱点。但是MRI分子影像学也有其弱点，它的敏感性较低（微克分子水平），与核医学成像技术的纳克分子水平相比，低几个数量级。传统的MRI是以物理、生理特性作为成像对比的依据。分子水平的MRI成像是建立在上述传统成像技术基础上，以特殊分子作为成像依据，其根本宗旨是将非特异性物理成像转为特异性分子成像，因而其评价疾病的指标更完善，更具特异性。MRI分子影像学成像，可在活体完整的微循环下研究病理机制，在基因治疗后表型改变前，评价基因治疗的早期效能，并可提供三维信息，较传统的组织学检查更立体、快速。概括起来，MRI在分子影像学的应用
11、主要包括基因表达与基因治疗成像、分子水平定量评价肿瘤血管生成、显微成像、活体细胞及分子水平评价功能性改变等方面。,动物活体成像技术的分类,超声成像 超声分子影像学是近几年超声医学在分子影像学方面的研究热点。它是利用超声微泡造影剂介导来发现疾病早期在细胞和分子水平的变化，有利于人们更早、更准确地诊断疾病。通过此种方式也可以在患病早期进行基因治疗、药物治疗等，以期在根本上治愈疾病。,动物活体成像技术的分类,CT成像 CT成像是利用组织的密度不同造成对X射线透过率的不同而对人体成像的临床检测技术。近来，由于具有更高的分辨率与灵敏度的微CT的出现，使这项传统的技术也进入分子成像领域。主要是应用在肿瘤学
12、，骨科方面的研究,几种动物活体成像技术的比较,操作难易与成像区别,几种动物活体成像技术的比较,不同分子成像技术/设备的应用领域 核素成像设备（PET和SPECT）和光学成像设备 特别适合研究分子（molecular）、代谢（metabolism）和生理学（physiology）事件（功能成像）超声成像设备和CT设备 适合于解剖学（anatomy）成像（结构成像）混合成像（PET/CT、SPECT/CT）能够结合功能成像和结构成像两方面的优点,几种动物活体成像技术的比较,应用领域优缺点,几种动物活体成像技术的比较,总结：从上面几个图标，可以看出从综合因素考虑动物活体光学成像技术即荧光与生物发光成
13、像，是最适合的趋势。如果做全方位的研究，可以考虑结合2种以上（既功能成像与结构成像并用）活体成像技术。,动物活体光学成像的原理与系统构成,光学原理光在哺乳动物组织内传播时会被散射和吸收，光子遇到细胞膜和细胞质时会发生折射现象，而且不同类型的细胞和组织吸收光子的特性并不一样。在偏红光区域,大量的光可以穿过组织和皮肤而被检测到。利用灵敏的活体成像系统最少可以看到皮下的500个细胞，当然，由于发光源在老鼠体内深度的不同可看到的最少细胞数是不同的。在相同的深度情况下,检测到的发光强度和细胞的数量具有非常好的线性关系。可见光体内成像技术的基本原理在于光可以穿透实验动物的组织并且可由仪器量化检测到的光强度
14、，同时反映出细胞的数量。,动物活体光学成像的原理与系统构成,荧光成像 荧光发光是通过激发光激发荧光基团到达高能量状态，而后产生发射光。常用的有绿色荧光蛋白(GFP)、红色荧光蛋白DsRed 及Cy5及Cy7等其它荧光报告基团，标记方法与体外荧光成像相似。和生物发光在动物体内的穿透性相似，红光的穿透性在体内比蓝绿光的穿透性要好得多，近红外荧光为观测生理指标的最佳选择。,动物活体光学成像的原理与系统构成,荧光成像示意图,动物活体光学成像的原理与系统构成,荧光成像结果示意图,动物活体成像技术的原理与系统构成,生物化学发光成像,光源：萤火虫荧光素酶（luciferase）,动物活体光学成像的原理与系统
15、构成,荧光素酶的表达,将荧光素酶基因连接于启动子下游，稳定整合到细胞染色体内，使荧光素酶得到持续表达。,染色体,体内表达,外源注入底物,活跃细胞,体内发光,动物活体光学成像的原理与系统构成,满足成像的几个条件具有高亲和力的分子探针。分子探针和经典的造影剂的原理类似，它的一端联有能够和生物体内特异靶点结合的分子结构（如肽类、酶的底物、配体等），另一端是报告分子（可以是报告基因，也可以是荧光染料，或者放射性标记物），分子探针产生的信号则由图像采集系统收集、处理。分子探针能够克服各种生理屏障，包括血管壁、细胞间隙、细胞膜、血脑屏障等，这是分子成像的一大难点。生物信号放大系统。由于分子探针在体内的浓度
16、非常低，所以需要通过化学或生物的方法使信号放大。这可以通过提高靶点结构的浓度等方法实现。,动物活体光学成像的原理与系统构成,系统构成：影像观察暗箱CCD影像撷取系统荧光激发光源系统（生物发光不需要激发滤光片，只需要发射滤光片）专业影像撷取与分析软件控制计算机气体吸入式麻醉系统,动物活体光学成像的原理与系统构成,系统构成示意图,动物活体光学成像的原理与系统构成,影像观察暗箱：箱屏蔽宇宙射线及一切光源，可以使暗箱内部保持完全黑暗，CCD所检测的光线完全由被检动物体内发出，避免外界环境的光污染。CCD镜头位于暗箱的顶部，光线通过50毫米f1的光圈被CCD收集。镜头下部是滤光镜安装环，可以根据应用需要
17、安装不同的滤光镜，扩展其光学成像能力。暗箱里的平台是由软件控制升降，通过升降可以获得不同的10厘米到25厘米视野（FOV），并且带有加热装置，可以保持观察试验动物的体温。,动物活体光学成像的原理与系统构成,CCD影像撷取系统：一般采用2/3英寸接口的CCD黑白130万像素的科研级CCD系统读出噪声：5 e-rms 100 or 50kHz 温度范围：-75-110 冷却方式：空气，Pilter，液氮 动态范围：12bit以上,CRI公司动物活体荧光成像系统,公司简介：CRI,Inc公司全名为Cambrige Research&Instrumentation.inc，（剑桥仪器公司）成立于198
18、5年，总部位于波士顿。是专业的高性能的生物医学影像公司，20年提供全球光电子影像科技，其液晶型成像技术是行业的领导者。为科研，卫生，医药提供全球化的服务。,CRI公司动物活体荧光成像系统,系统示意图,影像观察暗箱,CCD影像撷取系统,荧光激发光源系统,专业影像撷取与分析软件,气体吸入式麻醉系统,CRI公司动物活体荧光成像系统,影像观察暗箱规格 暗箱外部尺寸：95.0cm（高）47.2cm（宽）41.4cm（深）内建样品观察平台，具九段平台高度定位点可选择视野范围从3.342.54cm到10.167.62cm内建三个不同管径的麻醉气体进出管道，可搭配气体麻醉系统（另购）使用内建配件储存箱，可放置
19、工具组及滤光片组内建两组白光LED灯组，作一般照明用之均匀光源具荧光光路遮断开关，可防止强烈的荧光激发光源在暗箱门打开时刺激到操作者的眼睛全系统已经通过CE认证,CRI公司动物活体荧光成像系统,CCD影像撷取系统：摄像机具备2/3英吋电荷耦合感应器，分辨率达130万像素内建液晶调变式滤光片，可调变范围有420-720nm(或500-950nm)，作用为发散光(Emission)滤光片液晶调变式滤光片可任意指定过滤荧光的起始波长及终止波长液晶调变式滤光片可连续改变穿透波长，最小波长改变间距为1nm光学镜头具备Nikon(f2.8-f/32)60mm手动自动调节对焦近拍镜头具移动式长通滤光片放置架
20、，可放置两个50 mm直径的滤光片,CRI公司动物活体荧光成像系统,荧光激发光源系统规格：光源为Cermax-type 300W Xenon灯，使用寿命可达一千小时可放置两个激发光(Excitation)滤镜，尺寸为50mm光源匀射系统为四支光纤，可均匀分散激发光可配置四组滤镜 excitation nm emission nm dyes/fluores.proteinsfilter set 1 465 515以上 GTP,eGFP,FITC,YFP filter set 2 529 580以上 DsRed,CellTracker Orange,RFPfilter set 3 640 700以
21、上 Cy5.5,Alexa Fluor,IRdye 700filter set 4 735 800以上 ICG,IR dye 800,CRI公司动物活体荧光成像系统,专业影像撷取与分析软件规格：影像撷取软件部份：利用此系统设定影像撷取的条件，包括自动曝光、撷取时间、画素合并(binning)、ROI、液晶调变式滤光片的起始波长及终止波长等撷取全光谱影像序列所需时间约15至20秒（以撷取15张图像计算）经撷取后影像会自动调整并合成彩色图像，但操作者可简易调整影像的亮度及gamma値软件可缩放影像调整所需要的影像大小软件具有曝光饱和警示功能影像撷取的各项条件如波长及曝光时间等，会同时显示在屏幕左下
22、方，并可进行存档。,CRI公司动物活体荧光成像系统,影像分析软件部份：软件可同步呈现实验样本的每一点的光谱变化曲线图，以利后续的多光谱影像分析软件可进行多光谱影像分析所需之计算纯光谱信息、光谱去混合、影像光谱特征分类、图像迭合等功能软件对同一影像可以处理最多五种荧光讯号软件可将经分析后的多个影像以多个窗口同步显示操作者可自行调整影像的大小、亮度、色调以及对比度经分析后的图片可储存成多种图案格式，以利在文件处理软件进行文件编辑操作者可储存原始影像档案，之后可再应需要重新分析此套影像软件可安装于其它计算机，方便操作者数据分析图像结果可搭配Image J(免费提供)进行量化分析(如面积统计及亮度变化),
