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活体动物体内生物发

光和荧光成像技术

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活体动物体内生物发光和荧光成像技术

基础原理与应用简介

文章来自中国生物器材网

文章目录：

活体动物体内成像技术是指应用影像学方法，对活体状态下的生物过程进行组织、细胞和分子水平的定性和定

量研究的技术。活体动物体内成像技术主要分为可见光成像(opticalimaging)、核素成像（radio-nuclear

imaging）、核磁共振（magneticresonanceimaging，MRI）成像和超声（ultrasound）成像、计算机断层摄影

（computedtomography，CT）成像五大类，其中可见光成像和核素成像特别适合研究分子、代谢和生理学事

件，通常称为功能成像；超声成像和CT则适合于解剖学成像，通常称为结构成像。功能成像与结构成像比

较，前者更能够反映细胞或基因表达的空间和时间分布，从而了解活体动物体内的相关生物学过程、特异性基

因功能和相互作用。所以，活体动物体内功能成像技术可用于观察和追踪靶细胞、基因的表达，同时检测多种

分子事件，优化药物和基因治疗方案，从分子和细胞水平对药物疗效进行观察，从整体动物水平上评估疾病发

展过程，对同一个动物进行时间、环境、发展和治疗影响跟踪。由于功能成像的诸多优势，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，本文重点介绍活体动物可见光成像技术。

体内可见光成像(opticalinvivoimaging)技术主要包括生物发光(bioluminescence)与荧光(fluorescence)成像两种

技术。生物发光成像是用荧光素酶(luciferase)基因标记细胞或DNA，利用其产生的蛋白酶与相应底物发生生化

反应产生生物体内的探针光信号；而荧光成像则是采用荧光报告基因（如GFP、RFP）或Cyt及dyes等荧光

染料进行标记，利用荧光蛋白或染料产生的荧光就可以形成体内的荧光光源。前者是动物体内的自发光，不需

要激发光源，可通过高度灵敏的CCD直接捕捉光信号，而后者则需要外界激发光源的激发才可以捕捉发光信

号。传统的动物实验方法需要在不同的时间点宰杀实验动物以获得数据,得到多个时间点的实验结果。相比之

下，体内可见光成像技术通过对同一组实验对象在不同时间点进行记录，跟踪同一观察目标（标记细胞及基

因）的移动及变化，所得的数据也更加真实可信。另外,这一技术由于不涉及放射性物质，具有操作简单，所

得结果直观，灵敏度高等特点,在刚刚发展起来的几年时间内，已广泛应用于生命科学、医学研究及药物开发

等方面。

一、活体生物发光成像技术

（一）技术原理

1.标记原理

哺乳动物生物发光，一般是将Fireflyluciferase基因（由554个氨基酸构成，约50KD）即荧光素酶基因整合

到预期观察的细胞染色体DNA上以表达荧光素酶，培养出能稳定表达荧光素酶的细胞株，当细胞分裂、转

移、分化时,荧光素酶也会得到持续稳定的表达。基因、细胞和活体动物都可被荧光素酶基因标记。将标记好

的细胞接种到实验动物体内后，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。这种酶在ATP，氧存在的条件下，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，并且发光光强度与标记细胞的数目线性相关。

除Firefly