活體成像系統(tǒng)指應(yīng)用影像學(xué)方法，對活體狀態(tài)下的生物過程進(jìn)行組織、細(xì)胞和分子水平的定性和定量研究的設(shè)備。動物活體成像主要分為光學(xué)成像、核素成像、核磁共振成像、計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)成像和超聲成像五大類。

活體成像技術(shù)

　　活體成像系統(tǒng)成像原理包括生物發(fā)光與熒光兩種技術(shù)。

　　生物發(fā)光是用熒光素酶基因標(biāo)記DNA，利用其產(chǎn)生的蛋白酶與相應(yīng)底物發(fā)生生化反應(yīng)產(chǎn)生生物體內(nèi)的光信號;而熒光技術(shù)則采用熒光報(bào)告基因(GFP、RFP)或熒光染料(包括熒光量子點(diǎn))等新型納米標(biāo)記材料進(jìn)行標(biāo)記，利用報(bào)告基因產(chǎn)生的生物發(fā)光、熒光蛋白質(zhì)或染料產(chǎn)生的熒光就可以形成體內(nèi)的生物光源。前者是動物體內(nèi)的自發(fā)熒光，不需要激發(fā)光源，而后者則需要外界激發(fā)光源的激發(fā)。

活體成像系統(tǒng)熒光發(fā)光成像原理

　　活體成像系統(tǒng)熒光成像的標(biāo)記對象較為廣泛，可以是動物、細(xì)胞、微生物、基因，也可以是抗體、藥物、納米材料等。常用的有綠色熒光蛋白、紅色熒光蛋白及其它熒光報(bào)告基團(tuán)，標(biāo)記方法與體外熒光成像相似，活體成像系統(tǒng)熒光成像具有費(fèi)用低廉和操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。和生物發(fā)光在動物體內(nèi)的穿透性相似，紅光的穿透性在體內(nèi)比藍(lán)綠光的穿透性效率高，近紅外熒光為成像觀察的Z佳選擇。

　　熒光信號遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于生物發(fā)光，但非特異性熒光產(chǎn)生的背景噪音使其信噪比遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于生物發(fā)光。雖然可以采用不同的技術(shù)分離背景光，但是受到熒光特性的限制，很難完全消除背景噪音。這些背景噪音造成活體成像系統(tǒng)的靈敏度較低。

　　活體成像系統(tǒng)熒光成像有其方便，直觀，標(biāo)記靶點(diǎn)多樣和易于被大多數(shù)研究人員接受的優(yōu)點(diǎn)，在一些植物分子生物學(xué)研究和觀察小分子體內(nèi)代謝方面也得到應(yīng)用。例如利用綠色熒光蛋白和熒光素酶對細(xì)胞或動物進(jìn)行雙重標(biāo)記，用成熟的熒光成像技術(shù)進(jìn)行體外檢測，進(jìn)行分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)研究，然后利用生物發(fā)光技術(shù)進(jìn)行動物體內(nèi)檢測，進(jìn)行活體動物體內(nèi)研究。

　　熒光發(fā)光是通過激發(fā)光激發(fā)熒光基團(tuán)到達(dá)高能量狀態(tài)，而后產(chǎn)SF射光。考慮到不同熒光物質(zhì)的發(fā)射光譜EX和激發(fā)光譜EM的不同，要選擇對應(yīng)的激發(fā)和發(fā)射濾片。

活體成像系統(tǒng)生物發(fā)光成像原理

　　活體成像系統(tǒng)生物發(fā)光成像是指在小的哺乳動物體內(nèi)利用報(bào)告基因-熒光素酶基因表達(dá)所產(chǎn)生的熒光素酶蛋白與其小分子底物熒光素在氧、Mg²⁺離子存在的條件下消耗ATP發(fā)生氧化反應(yīng)，將部分化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽饽茚尫?。然后在體外利用敏感的CCD設(shè)備形成圖像。熒光素酶基因可以被插入多種基因的啟動子，成為某種基因的報(bào)告基因，通過監(jiān)測報(bào)告基因從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)基因的監(jiān)測。

　　生物發(fā)光實(shí)質(zhì)是一種化學(xué)熒光，螢火蟲熒光素酶在氧化其特有底物熒光素的過程中可以釋放波長廣泛的可見光光子，其平均波長為560nm(460～630nm)，這其中包括重要的波長超過600nm的紅光成分。在哺乳動物體內(nèi)血紅蛋白是吸收可見光的主要成分，能吸收中藍(lán)綠光波段的大部分可見光;水和脂質(zhì)主要吸收紅外線，但其均對波長為590-800nm的紅光至近紅外線吸收能力較差，因此波長超過600nm的紅光雖然有部分散射消耗但大部分可以穿透哺乳動物組織被高靈敏的CCD檢測到。

　　活體成像系統(tǒng)生物發(fā)光成像的優(yōu)點(diǎn)是：可以非侵入性，實(shí)時(shí)連續(xù)動態(tài)監(jiān)測體內(nèi)的各種生物學(xué)過程，從而可以減少實(shí)驗(yàn)動物數(shù)量，及降低個(gè)體間差異的影響;由于背景噪聲低，所以具有較高的敏感性;不需要外源性激發(fā)光，避免對體內(nèi)正常細(xì)胞造成損傷，有利于長期觀察;此外還有無放射性等其他優(yōu)點(diǎn)。

　　活體成像系統(tǒng)生物發(fā)光也有自身的不足之處：例如波長依賴性的組織穿透能力，光在哺乳動物組織內(nèi)傳播時(shí)會被散射和吸收，光子遇到細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)時(shí)會發(fā)生折射，而且不同類型的細(xì)胞和組織吸收光子的特性也不盡相同，其中血紅蛋白是吸收光子的主要物質(zhì);由于是在體外檢測體內(nèi)發(fā)出的信號，因而受到體內(nèi)發(fā)光源位置及深度影響;另外還需要外源性提供各種熒光素酶的底物，且底物在體內(nèi)的分布與藥動力學(xué)也會影響信號的產(chǎn)生;由于熒光素酶催化的生化反應(yīng)需要氧氣、鎂離子及ATP等物質(zhì)的參與，受到體內(nèi)環(huán)境狀態(tài)的影響。