大家好，关于基于光学成像的动物活体成像技术研究报告很多朋友都还不太明白，今天小编就来为大家分享关于的知识，希望对各位有所帮助！

光子学的研究对象是光子的产生、传输、控制、检测以及与物质的相互作用。包括光物理与超快现象、量子通信、激光技术与器件、光电功能材料与器件、生物医学光子学、太赫兹技术等众多学科。生物医学光子学是利用光子学方法和技术解决医学、生物学和生物技术领域问题的一门基础应用科学。

关键词：生物光学成像，荧光成像，动物发光

第一章概述

1.1生物体内光学成像技术简介

活体动物体内光学成像主要使用两种技术：生物发光和荧光。生物发光利用荧光素酶（Luciferase）基因来标记细胞或DNA，而荧光技术则利用荧光报告基团（GFP、RFP、Cyt、染料等）进行标记。使用一套极其灵敏的光学检测仪器，研究人员可以直接监测生物体中的细胞活动和遗传行为。通过该系统，可以观察活体动物肿瘤的生长和转移、传染病的发展以及特定基因的表达等生物过程。传统的动物实验方法需要在不同时间点宰杀实验动物来获取数据并获得多个时间点的实验结果。相比之下，可见光活体成像记录了同一组实验对象在不同时间点的情况，追踪同一观察目标（标记细胞和基因）的运动和变化，使得获得的数据更加真实可信。此外，该技术对于检测肿瘤微转移具有极高的灵敏度，不涉及放射性物质和方法，非常安全。由于其操作极其简单、结果直观、灵敏度高，在问世短短几年内就被广泛应用于生命科学、医学研究、药物开发等领域。

第二章活体动物荧光成像与活体生物发光成像具体技术

2.1荧光成像

2.1.1荧光成像原理

(1) 技术原理

荧光成像技术利用荧光报告基团进行标记，包括无机材料，如上转换、量子点等，以及有机材料，如绿色荧光蛋白、红色荧光蛋白或荧光染料等。利用激发光使报告基团达到较高的分子能级，然后发出波长较长的可见光，在体内形成生物光源进行检测。目前常用的荧光基团有各种小分子荧光染料、绿色荧光蛋白、红色荧光蛋白等。近年来，荧光技术在一些小分子生物学和体内代谢研究中得到了广泛的应用。

(2) 标记方法

1、荧光蛋白标记：荧光蛋白适合标记细胞、病毒、基因等，常用的有GFP、EGFP、RFP(DsRed)等；

2.荧光染料标记：荧光染料标记与体外标记相同。常用的有Cy3、Cy5、Cy5.5和Cy7，可以标记抗体、多肽、小分子药物等；

3、量子点标签：量子点（quantum dot）是一种发射荧光的半导体纳米晶体。它是由数百至数万个原子组成的原子簇。它的尺寸小于100nm，外观就像一个非常小的点。量子点作为一种新型荧光标记材料，在长期生命活动监测和活体追踪方面具有独特的应用优势。

(3)光学原理

荧光发光是利用激发光将荧光基团激发到高能态，然后产生发射光。与动物生物发光的穿透力类似，红光的穿透力比蓝绿光在小动物身上的穿透力要好得多。随着体内发光信号深度的增加，波长更接近900nm。穿透能力越强，就越能减少背景噪音的干扰。近红外荧光是观察生理指标的最佳选择。在实验条件允许的情况下，应尽可能选择发射较长波长的荧光蛋白或染料。

2.1.2荧光成像技术成果

1.肿瘤学

体内荧光成像技术可以无创定量检测小鼠皮下肿瘤模型。与生物发光成像技术相比，活体荧光成像技术检测时间更快，耗时小于1秒，并且不需要注射底物，节省了检测成本。然而，需要选择近红外荧光来检测深层组织。目前，该条带的荧光蛋白种类有限，准确定量较为困难。

荧光成像在肿瘤检查中的应用（1）Aus der Forschung:Neue Bildgebungstechnik macht krebszellen wahrend OP sichtbar

红外II间隔光下的癌细胞（绿色荧光颗粒）（二）《细胞》：2016年MIT最美医学研究图像

2. 抗体

分子探针的一端连接有能够与生物体内特定靶标结合的分子结构（如肽、酶底物、配体等），另一端是荧光染料。通过Cy5.5标记抗体的体内代谢实验，可以看到其在肝、肾等部位的分布（图11-5）。

3. 药物研究

荧光成像在药物制剂研究，特别是药物靶向研究和药物载体研究中具有巨大优势。有关专家正在设计并用适当的荧光染料标记小分子药物，以观察药物在动物体内的特异性分布和代谢，特别是在中药研究中。

应用透照仪从样品底部激发光源，可以提高体内荧光成像的灵敏度和检测深度。图11-6为应用近红外荧光染料标记的-淀粉酶观察治疗阿尔茨海默病的药物的治疗效果。曝光时间仅为200 ms，激发波长为680 nm，散射光波长为720 nm。

NIR 标记的-淀粉酶成像

4、荧光成像仪（FS）是一种基于荧光效应发展起来的成像技术：核外电子被激发并从基态So跃迁到激发态Si后，会通过一个非辐射跃迁，然后从最低振动能级返回到基态，能量以光子辐射的形式释放。具有这种性质的发射光称为荧光。荧光成像的理论基础是人体组织的荧光物质被激发后发出的荧光信号的强度在一定范围内与荧光素的量呈线性关系。主要用于肿瘤疾病的检测和诊断，由于其分辨率高、操作简便、成本低，已越来越多地应用于软组织肿瘤的诊断。此外，荧光成像还用于蛋白质和金属离子的检测以及新药物剂型的研究。

2.2活体生物发光成像技术

(1)。体内生物发光成像技术原理

1. 标记原理

哺乳动物生物发光一般是将萤火虫荧光素酶基因（由554个氨基酸组成，约50KD）即荧光素酶基因整合到预期观察到表达荧光素酶的细胞的染色体DNA中，然后培养能够稳定表达荧光素酶的细胞。对于细胞系来说，当细胞分裂、转移、分化时，荧光素酶也会持续稳定地表达。基因、细胞和活体动物都可以用荧光素酶基因标记。将标记的细胞接种到实验动物体内后，当从外部来源（腹腔或静脉注射）给予其底物荧光素（luciferin）时，几分钟内即可发生发光现象。这种酶在ATP 和氧气存在的情况下催化荧光素的氧化反应而发光。因此，发光现象仅发生在活细胞中，且发光强度与标记细胞的数量呈线性相关。

2. 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。不同类型的细胞和组织具有不同的光子吸收特性。在红光区域，大量的光可以穿过组织和皮肤并被检测到。使用Genogen 的IVIS 系统可以看到皮肤下至少500 个细胞。当然，由于光源在小鼠体内的深度不同，能看到的最小细胞数也不同。在相同深度，检测到的发光强度与细胞数量之间存在非常好的线性关系。可见光活体成像技术的基本原理是光可以穿透实验动物的组织，仪器可以对检测到的光强度进行量化，同时反映细胞的数量。

（二）活体生物发光成像技术的应用领域

通过活体动物体内成像系统，可以观察疾病或癌症的发展过程以及对药物治疗的反应，可用于病毒学研究、转基因动物模型构建、siRNA研究、干细胞研究、蛋白质相互作用研究和体外细胞检测。和其他领域。具体应用如下：

1. 癌症及抗癌药物研究

直接快速测量各种癌症模型中的肿瘤生长和转移情况，实时观察和评估癌症治疗过程中癌细胞的变化。体内生物发光成像可以无创、定量地检测小鼠体内的整体原位肿瘤、转移瘤和自发性肿瘤。晶诺真生物影像技术提高了检测灵敏度，甚至可以检测到微小的转移灶（可以检测到体内102个细胞的微转移）。目前商业化的肿瘤细胞系包括：前列腺癌、黑色素瘤、乳腺癌、肺癌、宫颈癌和结肠癌等BiowareTM细胞系模型。

可原位接种、原位观察及原位转移模型，使肿瘤学研究更加贴近临床肿瘤发病的微环境；通过建立自发肿瘤模型，可以观察肿瘤发生的机制。

肿瘤长期检测，左图分别为7天、14天、30天时的成像。来自中国军事医学科学院

以下是美国国家科学院院士（纪念斯隆凯特琳癌症医院/霍华德休斯医学研究所）John Massague发表的文献，他应用该技术研究乳腺癌肺转移相关基因：

介导乳腺癌肺转移的基因

《自然》，2005 年7 月，第436 卷

2. 免疫学和干细胞研究

将荧光素酶标记的造血干细胞移植到脾脏和骨髓中，可以实时观察活体动物干细胞造血过程的早期事件和动态变化。研究表明，带有生物发光标记基因的小鼠淋巴细胞可用于检测放射线和化学药物治疗的效果，并寻找肿瘤骨髓转移和抗肿瘤免疫治疗中的复杂细胞机制。应用可见光活体成像原理标记细胞并建立动物模型，可以有效地对同组动物进行连续观察，节省动物样本数量，同时更快速地获得病原体和病原体的转移途径。免疫系统中耐药蛋白表达的变化。

3. 细胞凋亡

当荧光素酶和抑制性多肽作为融合蛋白在哺乳动物细胞中表达时，所得融合蛋白不具有荧光素酶活性，并且细胞不能发光。当细胞发生凋亡时，活化的caspase-3 在特定识别位点被激活。裂解去除抑制蛋白，恢复荧光素酶活性，并产生发光，可用于观察活体动物中的细胞凋亡相关事件。

4.基因治疗

基因治疗是将正常基因或具有治疗作用的基因以一定的方式引入靶细胞，纠正基因缺陷或发挥治疗作用，从而达到治疗疾病的目的。目前，基因治疗主要采用病毒作为载体。荧光素酶基因可以作为报告基因添加到载体中，观察目的基因是否到达动物体内特定组织以及是否持续高效表达。这种非侵入性方法具有低毒性和免疫反应。具有温和的优点，可以直接实时观察，了解病毒或媒介感染的位置和时域信息；还可以将荧光素酶基因插入脂质体包裹的DNA分子中，观察脂质体作为载体的DNA转运和递送。基因治疗；表达荧光素酶基因的质粒裸DNA也可以作为模型DNA直接注射到动物体内。生物发光成像可用于分析不同载体、不同注射位点、不同注射体积对荧光素酶基因表达的影响。同时，还可以在空间和时间上定量分析基因表达的分布、水平和持续时间。这种可视化方法直观地评价DNA的转染效率和表达效率，对基因治疗研究具有重要的指导作用。

5.其他

如RNAi、蛋白质核转运等。荧光素酶基因的一端与待研究蛋白质的基因相连，另一端与必须在细胞核中表达的蛋白质的基因相连。当细胞核外的蛋白质转运到细胞核内时，会引起荧光素酶的N端和C端。走近一点，重获光彩。