關于動物活體成像技術第1頁，課件共36頁，創作于2023年2月內容動物活體成像技術的背景動物活體成像技術的分類幾種動物活體成像技術的比較動物活體光學成像技術的原理與系統構成CRI公司動物活體熒光成像系統CRI公司動物活體熒光成像系統的應用第2頁，課件共36頁，創作于2023年2月動物活體成像的背景1999年，美國哈佛大學Weissleder等人提出了分子影像學（molecularimaging）的概念——應用影像學方法，對活體狀態下的生物過程進行細胞和分子水平的定性和定量研究。傳統成像大多依賴于肉眼可見的身體、生理和代謝過程在疾病狀態下的變化，而不是了解疾病的特異性分子事件。分子成像則是利用特異性分子探針追蹤靶目標并成像。這種從非特異性成像到特異性成像的變化，為疾病生物學、疾病早期檢測、定性、評估和治療帶來了重大的影響。第3頁，課件共36頁，創作于2023年2月動物活體成像的背景分子成像技術使活體動物體內成像成為可能，它的出現，歸功于分子生物學和細胞生物學的發展、轉基因動物模型的使用、新的成像藥物的運用、高特異性的探針、小動物成像設備的發展等諸多因素。目前，分子成像技術可用于——研究觀測特異性細胞、基因和分子的表達或互作過程，同時檢測多種分子事件，追蹤靶細胞，藥物和基因治療最優化，從分子和細胞水平對藥物療效進行成像，從分子病理水平評估疾病發展過程，對同一個動物或病人進行時間、環境、發展和治療影響跟蹤。第4頁，課件共36頁，創作于2023年2月動物活體成像的背景活體生物體內檢驗是生物研究的最終驗證

體外試驗（InVitro）

分子生物學技術克隆技術蛋白組學等等…

體內反應（InVivo）研究方法受體內環境制約，很難準確反映體內情況

體外檢驗（ExVivo）

PCR電泳組織病理學腫瘤稱量等等…

活體生物體內成像（InVivoImagingTechnology）第5頁，課件共36頁，創作于2023年2月動物活體成像的背景分子成像的優點：

分子成像和傳統的體外成像或細胞培養相比有著顯著優點。分子成像能夠反映細胞或基因表達的空間和時間分布，從而了解活體動物體內的相關生物學過程、特異性基因功能和相互作用。分子成像由于可以對同一個研究個體進行長時間反復跟蹤成像，既可以提高數據的可比性，避免個體差異對試驗結果的可影響，又不需要殺死模式動物，節省了大筆科研費用。分子成像應用尤其在藥物開發方面，更是具有劃時代的意義。根據目前的統計結果，由于進入臨床研究的藥物中大部分因為安全問題而終止，導致了在臨床研究中大量的資金浪費，而分子成像技術的問世，為解決這一難題提供了廣闊的空間，將使藥物在臨床前研究中通過利用分子成像的方法，獲得更詳細的分子或基因述水平的數據，這是用傳統的方法無法了解的領域，所以分子成像將對新藥研究的模式帶來革命性變革。其次，在轉基因動物、動物基因打靶或制藥研究過程中，分子成像能對動物的性狀進行跟蹤檢測，對表型進行直接觀測和（定量）分析。

第6頁，課件共36頁，創作于2023年2月動物活體成像技術的分類活體成像技術主要分為五大類：光學成像（OpticalImagingwithvisiblelightandFluorescence）熒光成像（Fluorescence）生物發光成像（Bioluminescence）核素成像Positron-EmissionTomography簡稱PET

正電子發射或衍射斷層掃描

Single-Photon-EmissionComputedTomography簡稱SPECT單光子發射或者衍射磁共振成像（MagneticResonanceImaging，MRI）

包括功能性核磁共振（FunctionalMRI，fMRI）,心血管核磁共振（Cardio-vascularMRI，cMRI），等等超聲成像（Ultrasound）CT成像第7頁，課件共36頁，創作于2023年2月動物活體成像技術的分類光學成像活體動物體內光學成像(OpticalinvivoImaging)主要采用生物發光（bioluminescence）兩種技術與熒光（fluorescence）。生物發光是用熒光素酶(Luciferase)基因標記細胞或DNA，而熒光技術則采用熒光報告基團（GFP、RFP,Cyt及dyes等）進行標記。利用一套非常靈敏的光學檢測儀器，讓研究人員能夠直接監控活體生物體內的細胞活動和基因行為。通過這個系統，可以觀測活體動物體內腫瘤的生長及轉移、感染性疾病發展過程、特定基因的表達等生物學過程。傳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,得到多個時間點的實驗結果。相比之下，可見光體內成像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，所得的數據更加真實可信。另外,這一技術對腫瘤微小轉移灶的檢測靈敏度極高，不涉及放射性物質和方法,非常安全。因其操作極其簡單、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，已廣泛應用于生命科學、醫學研究及藥物開發等方面。第8頁，課件共36頁，創作于2023年2月動物活體成像技術的分類核素成像

核素成像技術用于發現易于為核素標記的既定靶目標底物的存在，或用于追蹤小量標記基因藥物和進行許多藥物抵抗或病毒載體的傳送。包括微PET、微SPECT。

其中，微PET（正電子發射斷層掃描儀PositronEmissionTomography）在目前的分子影像學研究中占據著極其重要的地位。最先開始的分子影像學研究就是用PET完成的，如今，用微PET進行的單純胞疹病毒胸苷激酶的分子影像學技術已應用于臨床試驗中。第9頁，課件共36頁，創作于2023年2月動物活體成像技術的分類微PET技術是將正電子同位素標記的化合物注入生物體內作為探針，當這些化合物參與生物體內的代謝過程時，PET按照同位素放射性分布的絕對量進行連續性掃描，根據動力學原理和圖像數據，對活體組織中的生理生化代謝過程作出定量分析，如血流量、能量代謝、蛋白質合成、脂肪酸代謝、神經遞質合成速度、受體密度及其與配體結合的選擇性和動力學等。PET通常使用的探針是用11C，14N，15O及18F等生物組織中含量最多元素的放射性核素標記的化合物，它們具有與體內分子類似（包括細胞代謝）的特點。

在藥理學研究中，則可以用正電子同位素直接標記藥物，觀察其在活體中的分布和代謝，或測量生理性刺激及病理學過程中藥物分布與代謝的變化，從而對藥物劑量、作用部位、可能發生的毒副作用等做出前瞻性判斷。還可以判斷其代謝反應的類型及產物，觀察藥物與其他藥物的相互作用、藥物與營養物質的相互作用、藥物與受體的作用、藥物與酶的相互作用等。

第10頁，課件共36頁，創作于2023年2月動物活體成像技術的分類磁共振成像磁共振（MRI）分子影像學的優勢在于它的高分辨率（已達到μm級），同時可獲得解剖及生理信息。這些正是核醫學、光學成像的弱點。但是MRI分子影像學也有其弱點，它的敏感性較低（微克分子水平），與核醫學成像技術的納克分子水平相比，低幾個數量級。傳統的MRI是以物理、生理特性作為成像對比的依據。分子水平的MRI成像是建立在上述傳統成像技術基礎上，以特殊分子作為成像依據，其根本宗旨是將非特異性物理成像轉為特異性分子成像，因而其評價疾病的指標更完善，更具特異性。MRI分子影像學成像，可在活體完整的微循環下研究病理機制，在基因治療后表型改變前，評價基因治療的早期效能，并可提供三維信息，較傳統的組織學檢查更立體、快速。概括起來，MRI在分子影像學的應用主要包括基因表達與基因治療成像、分子水平定量評價腫瘤血管生成、顯微成像、活體細胞及分子水平評價功能性改變等方面。

第11頁，課件共36頁，創作于2023年2月動物活體成像技術的分類超聲成像超聲分子影像學是近幾年超聲醫學在分子影像學方面的研究熱點。它是利用超聲微泡造影劑介導來發現疾病早期在細胞和分子水平的變化，有利于人們更早、更準確地診斷疾病。通過此種方式也可以在患病早期進行基因治療、藥物治療等，以期在根本上治愈疾病。

第12頁，課件共36頁，創作于2023年2月動物活體成像技術的分類CT成像CT成像是利用組織的密度不同造成對X射線透過率的不同而對人體成像的臨床檢測技術。近來，由于具有更高的分辨率與靈敏度的微CT的出現，使這項傳統的技術也進入分子成像領域。主要是應用在腫瘤學，骨科方面的研究

第13頁，課件共36頁，創作于2023年2月幾種動物活體成像技術的比較操作難易與成像區別結構成像功能成像操作復雜操作簡單MRI核磁共振OpticalImaging可見光成像PET/SPET正電子衍射Ultrasound超聲CT第14頁，課件共36頁，創作于2023年2月幾種動物活體成像技術的比較不同分子成像技術/設備的應用領域核素成像設備（PET和SPECT）和光學成像設備特別適合研究分子（molecular）、代謝（metabolism）和生理學（physiology）事件（功能成像）超聲成像設備和CT設備適合于解剖學（anatomy）成像（結構成像）混合成像（PET/CT、SPECT/CT）能夠結合功能成像和結構成像兩方面的優點第15頁，課件共36頁，創作于2023年2月幾種動物活體成像技術的比較應用領域優缺點成像設備主要應用領域優點缺點熒光成像報告基因表達，細胞、病毒、細菌等示蹤，蛋白和小分子示蹤

高靈敏性，可以檢測活細胞和死細胞的熒光信號，方便，低成本，相對高通量

相對低空間分辨率，特異性差熒光染料可能有毒性

生物發光成像報告基因表達，細胞、病毒、細菌等示蹤

極高的靈敏度，快速，方便，低成本，相對高通量

低空間分辨率，通常是二維成像，作用時間短

PET

報告基因表達，小分子示蹤

高靈敏性，同位素自然替代靶分子，可進行定量移動研究

需要回旋加速器或發生器，相對低的空間分辨率，輻射損害，價格昂貴

SPECT報告基因表達，小分子示蹤

同時使用多種分子探針，能同時成像，適于用作臨床成像系統

相對較低的空間分辨率，輻射損害，價格昂貴MRI

形態學

極高的空間分辨率，結合形態學和功能學成像

相對低的靈敏性，掃描和后加工時間長，需要極大量的探針，價格昂貴CT

腫瘤學、骨科

骨頭和腫瘤成像，解剖學成像

有限的分子應用，有限的溫和的組織分辯，輻射損害

超聲

心血管，神經科學

實時成像，低成本，血管動態成像

有限的空間分辨率，主要用于形態學

第16頁，課件共36頁，創作于2023年2月幾種動物活體成像技術的比較總結：從上面幾個圖標，可以看出從綜合因素考慮動物活體光學成像技術即熒光與生物發光成像，是最適合的趨勢。如果做全方位的研究，可以考慮結合2種以上（既功能成像與結構成像并用）活體成像技術。第17頁，課件共36頁，創作于2023年2月動物活體光學成像的原理與系統構成光學原理光在哺乳動物組織內傳播時會被散射和吸收，光子遇到細胞膜和細胞質時會發生折射現象，而且不同類型的細胞和組織吸收光子的特性并不一樣。在偏紅光區域,大量的光可以穿過組織和皮膚而被檢測到。利用靈敏的活體成像系統最少可以看到皮下的500個細胞，當然，由于發光源在老鼠體內深度的不同可看到的最少細胞數是不同的。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系。可見光體內成像技術的基本原理在于光可以穿透實驗動物的組織并且可由儀器量化檢測到的光強度，同時反映出細胞的數量。第18頁，課件共36頁，創作于2023年2月動物活體光學成像的原理與系統構成熒光成像熒光發光是通過激發光激發熒光基團到達高能量狀態，而后產生發射光。常用的有綠色熒光蛋白(GFP)、紅色熒光蛋白DsRed及Cy5及Cy7等其它熒光報告基團，標記方法與體外熒光成像相似。和生物發光在動物體內的穿透性相似，紅光的穿透性在體內比藍綠光的穿透性要好得多，近紅外熒光為觀測生理指標的最佳選擇。第19頁，課件共36頁，創作于2023年2月動物活體光學成像的原理與系統構成熒光成像示意圖第20頁，課件共36頁，創作于2023年2月動物活體光學成像的原理與系統構成熒光成像結果示意圖第21頁，課件共36頁，創作于2023年2月動物活體成像技術的原理與系統構成生物化學發光成像光源：螢火蟲熒光素酶（luciferase）基因、細胞、活體都可被熒光素酶基因標記。標記癌細胞標記細菌標記轉基因鼠第22頁，課件共36頁，創作于2023年2月動物活體光學成像的原理與系統構成熒光素酶的表達將熒光素酶基因連接于啟動子下游，穩定整合到細胞染色體內，使熒光素酶得到持續表達。染色體體內表達外源注入底物活躍細胞體內發光第23頁，課件共36頁，創作于2023年2月動物活體光學成像的原理與系統構成滿足成像的幾個條件具有高親和力的分子探針。分子探針和經典的造影劑的原理類似，它的一端聯有能夠和生物體內特異靶點結合的分子結構（如肽類、酶的底物、配體等），另一端是報告分子（可以是報告基因，也可以是熒光染料，或者放射性標記物），分子探針產生的信號則由圖像采集系統收集、處理。分子探針能夠克服各種生理屏障，包括血管壁、細胞間隙、細胞膜、血腦屏障等，這是分子成像的一大難點。生物信號放大系統。由于分子探針在體內的濃度非常低，所以需要通過化學或生物的方法使信號放大。這可以通過提高靶點結構的濃度等方法實現。第24頁，課件共36頁，創作于2023年2月動物活體光學成像的原理與系統構成系統構成：影像觀察暗箱CCD影像擷取系統熒光激發光源系統（生物發光不需要激發濾光片，只需要發射濾光片）專業影像擷取與分析軟件控制計算機氣體吸入式麻醉系統

第25頁，課件共36頁，創作于2023年2月動物活體光學成像的原理與系統構成系統構成示意圖第26頁，課件共36頁，創作于2023年2月動物活體光學成像的原理與系統構成影像觀察暗箱：箱屏蔽宇宙射線及一切光源，可以使暗箱內部保持完全黑暗，CCD所檢測的光線完全由被檢動物體內發出，避免外界環境的光污染。CCD鏡頭位于暗箱的頂部，光線通過50毫米f1的光圈被CCD收集。鏡頭下部是濾光鏡安裝環，可以根據應用需要安裝不同的濾光鏡，擴展其光學成像能力。暗箱里的平臺是由軟件控制升降，通過升降可以獲得不同的10厘米到25厘米視野（FOV），并且帶有加熱裝置，可以保持觀察試驗動物的體溫。第27頁，課件共36頁，創作于2023年2月動物活體光學成像的原理與系統構成CCD影像擷取系統：一般采用2/3英寸接口的CCD黑白130萬像素的科研級CCD系統讀出噪聲：〈5e-rms@100or50kHz溫度范圍：-75℃～-110℃冷卻方式：空氣，Pilter，液氮

動態范圍：12bit以上第28頁，課件共36頁，創作于2023年2月CRI公司動物活體熒光成像系統公司簡介：CRI,Inc公司全名為CambrigeResearch&Instrumentation.inc，（劍橋儀器公司）成立于1985年，總部位于波士頓。是專業的高性能的生物醫學影像公司，20年提供全球光電子影像科技，其液晶型成像技術是行業的領導者。為科研，衛生，醫藥提供全球化的服務。第29頁，課件共36頁，創作于2023年2月CRI公司動物活體熒光成像系統系統示意圖影像觀察暗箱CCD影像擷取系統熒光激發光源系統專業影像擷取與分析軟件氣體吸入式麻醉系統第30頁，課件共36頁，創作于2023年2月CRI公司動物活體熒光成像系統影像觀察暗箱規格暗箱外部尺寸：95.0cm（高）×47.2cm（寬）×41.4cm（深）內建樣品觀察平臺，具九段平臺高度定位點可選擇視野范圍從3.34×2.54cm到10.16×7.62cm內建三個不同管徑的麻醉氣體進出管道，可搭配氣體麻醉系統（另購）使用內建配件儲存箱，可放置工具組及濾光片組內建兩組白光LED燈組，作一般照明用之均勻光源具熒光光路遮斷開關，可防止強烈的熒光激發光源在暗箱門打開時刺激到操作者的眼睛全系統已經通過CE認證第31頁，課件共36頁，創作于2023年2月CRI公司動物活體熒光成像系統CCD影像擷取系統：攝像機具備2/3英吋電荷耦合感應器，分辨率達130萬像素內建液晶調變式濾光片，可調變范圍有420-720nm(或500-～950nm)，作用為發散光(Emission)濾光片液晶調變式濾光片可任意指定過濾熒光的起始波長及終止波長液晶調變式濾光片可連續改變穿透波長，最小波長改變間距為1nm光學鏡頭具備Nikon(f2.8-f/32)60mm手動／自動調節對焦近拍鏡頭具移動式長通濾光片放置架，可放置兩個50mm直徑的濾光片第32頁，課件共36頁，創作于2023年2月CRI公司動物活體熒光成像系統熒光激發光源系統規格：光源為Cermax-type300WXenon燈，使用壽命可達一千小時可放置兩個激發光(Excitation)濾鏡，尺寸為50mm光源勻射系統為四支光纖，可均勻分散激發光可配置四組濾鏡

excitationnmemissionnmdyes/teins

filterset1465515以上GTP,eGFP,FITC,YFP

filterset2529580以上DsRed,