活體(ti) 動物體(ti) 內(nei) 成像技術是指應用影像學方法，對活體(ti) 狀態下的生物過程進行組織、細胞和分子水平的定性和定量研究的技術。活體(ti) 動物體(ti) 內(nei) 成像技術主要分為(wei) 可見光成像 (optical imaging)、核素成像（radio-nuclear imaging）、核磁共振（magnetic resonance imaging ，MRI）成像和超聲（ultrasound）成像、計算機斷層攝影（computed tomography ，CT）成像五大類，其中可見光成像和核素成像特別適合研究分子、代謝和生理學事件，通常稱為(wei) 功能成像；超聲成像和CT則適合於(yu) 解剖學成像，通常稱為(wei) 結構成像。

    功能成像與(yu) 結構成像比較，前者更能夠反映細胞或基因表達的空間和時間分布，從(cong) 而了解活體(ti) 動物體(ti) 內(nei) 的相關(guan) 生物學過程、特異性基因功能和相互作用。所以，活體(ti) 動物體(ti) 內(nei) 功能成像技術可用於(yu) 觀察和追蹤靶細胞、基因的表達，同時檢測多種分子事件，優(you) 化藥物和基因治療方案，從(cong) 分子和細胞水平對藥物療效進行觀察，從(cong) 整體(ti) 動物水平上評估疾病發展過程，對同一個(ge) 動物進行時間、環境、發展和治療影響跟蹤。由於(yu) 功能成像的諸多優(you) 勢，這項技術廣泛應用於(yu) 生命科學、醫學研究及藥物開發等方麵，本文重點介紹活體(ti) 動物可見光成像技術。
 
    體(ti) 內(nei) 可見光成像(optical in vivo imaging)技術主要包括生物發光(bioluminescence)與(yu) 熒光(fluorescence)成像兩(liang) 種技術。生物發光成像是用熒光素酶(luciferase)基因標記細胞或DNA，利用其產(chan) 生的蛋白酶與(yu) 相應底物發生生化反應產(chan) 生生物體(ti) 內(nei) 的探針光信號；而熒光成像則是采用熒光報告基因（如GFP、RFP）或Cyt及dyes等熒光染料進行標記，利用熒光蛋白或染料產(chan) 生的熒光就可以形成體(ti) 內(nei) 的熒光光源。前者是動物體(ti) 內(nei) 的自發光，不需要激發光源，可通過高度靈敏的CCD直接捕捉光信號，而後者則需要外界激發光源的激發才可以捕捉發光信號。傳(chuan) 統的動物實驗方法需要在不同的時間點宰殺實驗動物以獲得數據, 得到多個(ge) 時間點的實驗結果。相比之下，體(ti) 內(nei) 可見光成像技術通過對同一組實驗對象在不同時間點進行記錄，跟蹤同一觀察目標（標記細胞及基因）的移動及變化，所得的數據也更加真實可信。另外, 這一技術由於(yu) 不涉及放射性物質，具有操作簡單，所得結果直觀，靈敏度高等特點, 在剛剛發展起來的幾年時間內(nei) ，已廣泛應用於(yu) 生命科學、醫學研究及藥物開發等方麵。
 
一、活體(ti) 生物發光成像技術
 
（一）技術原理
1. 標記原理
哺乳動物生物發光，一般是將Firefly luciferase基因（由554個(ge) 氨基酸構成，約50KD）即熒光素酶基因整合到預期觀察的細胞染色體(ti) DNA上以表達熒光素酶，培養(yang) 出能穩定表達熒光素酶的細胞株，當細胞分裂、轉移、分化時, 熒光素酶也會(hui) 得到持續穩定的表達。基因、細胞和活體(ti) 動物都可被熒光素酶基因標記。將標記好的細胞接種到實驗動物體(ti) 內(nei) 後，當外源（腹腔或靜脈注射）給予其底物熒光素(luciferin)，即可在幾分鍾內(nei) 產(chan) 生發光現象。這種酶在ATP，氧存在的條件下，催化熒光素的氧化反應才可以發光，因此隻有在活細胞內(nei) 才會(hui) 產(chan) 生發光現象，並且發光光強度與(yu) 標記細胞的數目線性相關(guan) 。
 
    除Firefly Luciferase外，有時也會(hui) 用到Renilla Luciferase。二者的底物不一樣，前者的底物是熒光素（D-luciferin），後者的底物是coelentarizine。二者的發光波長不一樣，前者所發的光波長在540~600nm，後者所發的光波長在460~540nm左右。前者所發的光更容易透過組織，後者在體(ti) 內(nei) 的代謝比前者快，而且特異性沒有前者好，所以大部分活體(ti) 實驗使用Firefly Luciferase作為(wei) 報告基因，如果需要雙標記，也可采用後者作為(wei) 備選方案。
 
    熒光素酶的發光是生物發光，不需要激發光，但需要底物熒光素。熒光素在氧氣、ATP存在的條件下和熒光素酶發生反應，生成氧化熒光素(oxyluciferin)，並產(chan) 生發光現象。
 
    對於(yu) 細菌標記，一般利用發光酶基因操縱子luxABCDE或luxCDABE，其由控製的編碼熒光素酶的基因和編碼熒光素酶底物合成酶的基因組成。利用這種辦法進行標記的細菌會(hui) 持續發光，不需要外源性底物。但是一般細菌標記需要轉座子的幫助把外源基因插入到細菌染色體(ti) 內(nei) 穩定表達。
 
2. 底物熒光素的特點
熒光素由於(yu) 諸多優(you) 點得到廣大科研人員的青睞，主要特點如下：
(1) 熒光素不會(hui) 影響動物的正常生理功能。
(2)熒光素是280道爾頓的小分子，水溶性和脂溶性都非常好，很容易穿透細胞膜和血腦屏障。
(3) 熒光素在體(ti) 內(nei) 擴散速度快，可通過腹腔注射或尾部靜脈注射進入動物體(ti) 內(nei) 。腹腔注射擴散較慢，持續發光長。熒光素腹腔注射老鼠後約1min後表達熒光素酶的細胞開始發光，10min後強度達到穩定的zui高點，在zui高點持續約20~30 min後開始衰減，約3h後熒光素排除，發光全部消失，*檢測時間是在注射後15~35min之間；若進行熒光素靜脈注射，擴散快，但發光持續時間很短。科研人員根據大量的實驗總結出熒光素的合適的用量是150mg/kg，即體(ti) 重20克的小鼠需要3毫克的熒光素。
(4) 觀察時間的間隔沒有zui短限製，隻要觀察的條件控製一致就可以。雖然底物在動物體(ti) 內(nei) 有一定的代謝過程，但是上一次底物的殘留曲線可以知道，可以控製對下一次觀察結果的影響。
 
3. 光學原理
光在哺乳動物組織內(nei) 傳(chuan) 播時會(hui) 被散射和吸收，光子遇到細胞膜和細胞質時會(hui) 發生折射現象，而且不同類型的細胞和組織吸收光子的特性並不一樣。血紅蛋白（hemoglobin）是造成體(ti) 內(nei) 可見光被吸收的主要因素，其吸收可見光中藍綠光波段的大部分。但是在可見光大於(yu) 600納米的紅光波段，血紅蛋白的吸收作用卻很小。因此，在偏紅光區域, 大量的光可以穿過組織和皮膚而被檢測到。利用活體(ti) 動物生物發光成像技術zui少可以檢測到皮下的幾百個(ge) 細胞。當然，由於(yu) 發光源在老鼠體(ti) 內(nei) 深度的不同可看到的zui少細胞數是不同的。一般認為(wei) ，每一厘米深度，發光強度衰減10倍，血液豐(feng) 富的組織或器官（比如心髒、肝髒、肺髒）衰減多，與(yu) 骨骼相鄰的組織或器官衰減少。在相同的深度情況下，檢測到的發光強度和細胞的數量具有非常好的線性關(guan) 係，可由儀(yi) 器量化檢測到的光強度，反映出細胞的數量。
 
（二）活體(ti) 生物發光成像技術應用領域
活體(ti) 生物發光成像技術是一項在某些領域有不可替代優(you) 勢的技術，比如腫瘤轉移研究、藥物開發、基因治療、幹細胞示蹤等方麵。
1．腫瘤學
活體(ti) 生物發光成像技術能夠讓研究人員能夠直接快速的測量各種癌症模型中腫瘤的生長、轉移以及對藥物的反應。其特點是*的靈敏度使微小的腫瘤病灶（少到幾百個(ge) 細胞）也可以被檢測到，比傳(chuan) 統方法的靈敏度大大提高了；非常適合於(yu) 腫瘤體(ti) 內(nei) 生長的定量分析；避免由於(yu) 宰殺老鼠而造成的組間差異；節省動物成本。由於(yu) 以上特點，使基於(yu) 轉移模型、原位模型、自發腫瘤模型等方麵的腫瘤學研究得到發展。建立腫瘤轉移模型，可以觀察腫瘤轉移情況，進一步探討腫瘤轉移的機製；可進行原位接種，觀察原位以及原位轉移模型，使腫瘤學研究更接近腫瘤臨(lin) 床發病的微觀環境；通過建立自發腫瘤模型，可以觀察腫瘤發生機理。