活体动物体内成像技术及其在生物医学中的应用进展.doc

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1、活体动物体内成像技术及其在生物医学中的应用进展作者：周涛,韩彧巩伟丽,赵春林【摘要】活体动物体内成像是近年来新兴的检测活体动物体内基因表达及细胞活动的光学成像技术,具有操作简便，直观性强的特点。这项技术包括生物发光成像和荧光成像，采用报告基因产生的生物发光、荧光蛋白质或染料产生的荧光作为体内生物光源，与新型冷CCD成像相结合，实时探测活体动物体内生理或病理条件下的细胞和分子事件。本文简要综述了活体动物体内成像技术的原理、应用领域及发展前景。【关键词】体内光学成像;生物发光;荧光Abstract:I

2、nvivoopticalimaging,includingbioluminescenceandfluorescenceimaging,isoneofthenewlydevelopedtoolsthatenableanalysesofcellularandmoleculareventsinintactlivinganimalsnoninvasively.Thistechnologyemploysinternalbiologicalsourcesoflightemittedfromluciferase

3、s,fluorescentproteinsordyes,tolabelgenesandcells.Combiningthesereporterswiththenewgenerationofchargecoupleddevice(CCD)cameras,cellularandmolecularfeaturesofphysiologyanddiseaseinrealtime.Thispaperprovidesareviewofprinciple,developmentandapplicationoft

4、hisimagingstrategy.Keywords:Invivoopticalimaging;bioluminescence;fluorescence活体动物体内光学成像(opticalinvivoimaging)主要采用生物发光（bioluminescence）与荧光（fluorescence）两种技术。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）,或Cyt及dyes等荧光染料进行标记，利用报告基因产生的生物发光、荧光蛋白

5、质或染料产生的荧光就可以形成体内的生物光源。两者的主要区别在于前者是动物体内的自发荧光，不需要激发光源。而后者则需要外界激发光源的激发。虽然哺乳动物组织是不透光的，但是利用灵敏的光子成像技术可以从动物体表检测到组织内部的生物光源，使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，这是一种十分有效的研究实验动物生理过程的技术。因操作简单、结果直观、灵敏度高等特点，这项技术广泛应用于生命科学、医学研究及药物开发等方面，用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、特定基因的表达等生物

6、学过程。1成像原理8哺乳动物生物发光，是将Fluc基因整合到细胞染色体DNA上以表达荧光素酶，当外源（腹腔或静脉注射）给予其底物荧光素(luciferin)，即可在几分钟内产生发光现象（见图1）。这种酶在ATP及氧气的存在条件下，催化荧光素的氧化反应才可以发光，因此只有在活细胞内才会产生发光现象，并且光的强度与标记细胞的数目线性相关。对于细菌，lux操纵子由编码荧光素酶的基因和编码荧光素酶底物合成酶的基因组成，带有这种操纵子的细菌会持续发光，不需要外源性底物（见图2）。图1生物发光原理。将荧光素酶

7、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。在体内，荧光素酶在ATP、氧气存在的条件下，与外源注入的特异底物反应产生发光现象。图2lux操纵子由编码荧光素酶的基因和编码荧光素酶底物合成酶的基因组成，带有这种操纵子的细菌会持续发光，不需要外源性底物。基因、细胞和活体动物都可被荧光素酶基因标记。标记细胞的方法基本上是通过分子克隆技术,将荧光素酶的基因插到细胞染色体内，通过单克隆细胞筛选,培养出能稳定表达荧光素酶的细胞株。将标记好的细胞注入小鼠体内后,观测前需要注射荧光素酶的底

8、物—荧光素。荧光素为约280道尔顿的小分子，脂溶性非常好,可以透过血脑屏障。注射一次荧光素能保持小鼠体内荧光素酶标记的细胞发光30～45分钟。每次荧光素酶催化反应只产生一个光子，这是肉眼无法观察到的，需要使用特殊的仪器观测并记录。如美国精诺真公司(XenogenCorp.)生产的IVIS成像系统，应用一个超低温下高度灵敏的CCD相机及特别设计的成像暗箱和成像软件，可精确观测并记录到这些光子。哺乳动物的荧光发光则有多种方式，既可以将GFP或其突变体基因整合到细胞染色体DNA上以表达荧