小动物体内可见光三维成像技术研究进展

第卷第期年月生命科学文章编号峙以技术与应用小动物体内可见光三维成像技术研究进展杨华瑜‘韩或’董洪莹’赵春林’中国医学科学院中国协和医科大学北京协和医院肝脏外科北京龙脉得冷泉港生物科技股份有限公司北京北京摘要活体动物体内可见光成像是采用生物发光和荧光为标记物利用灵敏的仪器来监控活体动物体内的细胞活动的应用蛋白表达情况和基因行为近年来可见光成像在生物医学的各个方面得到了广泛三维随着成像技术和检测仪器的不断发展与器官的关系现已从平面二维成像逐渐发展为立体三维成像成像技术在靶点的空间定位及绝对定量方面都有了很大的进展生物发光本文就三维成像技术的原理关键词应用和发展前景进行了简要的综述三维活体成像体内光学成像荧光肿瘤转移中图分类号文献标识码一’而而活体动物体内光学成像叩要采用生物发光助主细胞及基因的移动及变化可信所得的数据更加真实与荧光另外这一技术最大的特点就是其极高的灵对肿瘤微小转移灶的检测灵敏度极高两种技术标记细胞细胞活动统程蛋白质或利用一套非通过这个系敏度可以常灵敏的光学检测仪器直接监控活体生物体内的检测到体内几百个标记的细胞并且这个技术不蛋白表达情况和基因行为涉及放射性物质和方法非常安全因其操作极其可以观测活体动物体内肿瘤的生长及转移感简单所得结果直观灵敏度高等特点在刚刚发已广泛应用于生命科学染性疾病发展过程特定基因的表达等生物学过传统的动物实验方法需要在不同的时间点宰杀展起来的几年时间内收稿日期基金项目司基金通讯作者医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修回日期可见光体内成像通过对同一组实验对象北京龙脉得冷泉港生物科技股份有限公在不同时间点进行记录跟踪同一观察目标标记生命科学第卷学研究及药物开发等方面和‘仅仅近两年在】杂志上就有四十多篇的论文在各个领域及文献各种方式应用到了这个技术卜对该技术有详细的介绍目前活体动物体内光学成像技术主要停留在二维成像基础上在实际应用中面临许多新的挑战息例如仅能确定发光信号在体内的二维平面信无法准确镜仅仅凭图同一只小鼠的腹部和背部成像图无法确定发光信号位于体内的深度定位发光信号与动物器官的直接关系三维成像即无法实现光子在组织内被吸收和分散头采集到的信号强弱有赖于信号源的深度量和其深度图像中别借光的强度和其表面图像无法判断标记物的绝对数因而出现使用二维成像技术所获得的动物背侧和腹侧成像得到的结果有很大区的三维成像技术也是研究人员比较熟悉的一个技最近一年来这个技术最令人瞩目的一项进展术该技术的原理与及等其他三维成像技就是从二维成像拓展到三维成像本文就小动物体术很类似它对小鼠不同的角度进行二维成像然内可见光的三维成像技术的原理和应用进行详细的分析后将这些不同角度的二维图像用软件合成构建成三维图像图头概述三维成像对于二维成像技术的优势自然不必多因为生物发光成像的检测需要很灵敏的镜其对环境温度要求达到℃利用这个原理说一个非常接近的例子就是与成像的的仪器往往镜头是固定的而将小动物平台环区别尤其当利用可见光成像时因为可见光穿透绕检测镜头一周成像对较高这种技术的优势是分辨率相性的限制和散射透过动物体内时又有不可避免的折射原理简单容易理解一但是这种成像的即使对同一只老鼠成像时在腹部和背部时间要求较长需要并且每次只这种技成像的结果可能有很大的区别没有三维成像技能成像一只小鼠在通量上有一定局限性术很难对结果做出满意的解释图目前术在可见光成像中的应用并不普遍鼠后往往只是在利对于动物体内可见光三维成像技术有两它们分别是多角度扫描技术用其他高通量检测技术发现到一个特别感兴趣的小需要详细研究时公司的个方向已经得到实施为层析成像技术才采取这个技术和单角度三维成像技术单角度三维成像技术又分而即采用此种技术进行生物伪发光的三维成像和透视成像技术单角度三维成像技术单角度三维成像技术是前者应用于生物发光的相对于多角度扫描技术而命名的是利用不同波长三维成像后者应用于荧光的三维成像的光对动物组织的穿透性不同这一特性例如红光在多角度扫描技术多角度扫描技术是比较传统体内的穿透性远远大于绿光采用不同的滤光片图多角度三维成像示意图第期杨华瑜一等小动物体内可见光三维成像技术研究进展在息获得多个至少二个波长的图像信绿光波长较红光波长短可以计算出信号在体内的衰减所以这种方法得举个例子相对更到的图像不仅可以测量图像中任意两点之间的距难穿透组织光中假设可见光标记的靶点在体外发出的若得到的图像中离还很好地解决了信号源强度的绝对定量问题绿光与红光的强度是这种技术的优势在于可以快速成像高通量地进行三维绿光与红光得到的信号强度接近体内的位置很浅光得到的信号强度为织中所处的位置较深于红光则发光信号在绿光与红是目前主要的可见光三维成像技术公司的和但是若得到的图像中采用时则证实发光信号在组了此种技术进行生物发光的三维成像这是因为绿光的衰减远远大荧光透视成像技术而又称为穿透性荧光三维成通过这种原理在获取这些信息后采用专门的重建算法估算出靶点的深度模拟出的三维常用的重建算像技术物后采用激发光从小动物底部激发穿透小动图像此技术的关键点是重建算法使用不同波长的滤光镜从小动物的上部进行这一方式不仅有效地避免了动物皮毛和法早己应用在地球物理领域用于地震检测以内尽管光谱采集干扰是通过算法重建估算出靶点深度但所得数据仍是其他一般组织所产生的非特异性背景荧光对结果的并且能够得到荧光标记靶点的体内深度信盯十分可靠的其误差可以控制在体内可见光层析成像技术司自主设计开发的是由公息进行测量时首先还是利用结构光源用于生物发光标记的动物特获得动物拓扑表面图像之后利用软件选择动别适合动物组织的光学特性模拟程度和真实解剖物底部的几个特定点作为穿透性激发光源同波长的滤光片进行发射光信号的采集使用不获得的数值十分接近位在动物成像领域属于领先地测试时其首先获得动物表面拓扑图根据不同暂时无其他方法可达到此水平得到动物外表的三维成像激发光源位置所得的光谱不同位息扩散的大小和方使用结构光源像以及光强的变化利用计算机软件对动物模型之后使用软件控制的模拟结果确定出信号源在动物体内的深度信利用软件模拟出小动物体滤镜组的转动下的图像在一之间获得不同波长时信号较弱结合拓扑表面图像公司的如图所示内荧光标记物的三维成像图图行荧光的三维成像通过和目前只有时有所增加时信号最强这是因为较长波采用了此种技术进长的光在动物体内的穿透性较强标记的靶点在体长波长的信号相内越深短波长的信号衰减越多三维成像结果与动物器官的关系对衰减较小同两者强度的比例变化同标记靶点在体技术可以获得动物生物发光这一结果是基于和拓扑表面内的深度直接相关根据不同波长的光衰减的不和荧光的三维成像图图像结合的结果对应的关联通过软件计算出靶点信号的深度再结合表面并没有与动物体内的器官建立相拓扑图像得到的小动物形状三维图像构建出小动物体内的就为了能够更准确地定位信号源在体内拥有了靶点在动物体内的深度信息所在的器官使用不同断层的病理切片和小鼠不同图体内可见光散射层析成像技术示意图生命科学第卷图荧光散射层析成像技术示意图姿势的图谱建立了数字化的小鼠器官图可了广泛的应用但是信号的强度准确的定量以及以将计算好的三维成像图与器官图进行拟合用以信号源的深度都无法通过二维成像得到解决着三维成像技术的发展将迎刃而解干细胞伴随确定信号所在的器官位置图合这种方法的局限困扰科研工作者的难题都在于所有的三维成像图都和相同的数字器官图拟仅在动物体表面积上有所变化三维成像技术也将越来越多地应用到随着软件的进广阔的领域中研究’川包括肿瘤微转移研究汇流体细胞基因表达一步发展可以把三维成像图与真实老鼠的细胞淋巴细胞等研究【’’所获得结构性成像叠加果获得特异性更强的结及病毒和细菌的研究大分子体内分布和公司的运动等方面采用了此种方法进行三维成像图和器官图的拟合三维成像在生物学及医药研究领域中的应用肿瘤转移是抗肿瘤研究的一大热点光学活体成像技术的发展将其研究推向了新的层面在使用二维活体光学成像技术在生物医学中已经得到二维成像技术时仅能得到简单的信号面积图像和相第期杨华瑜等小动物体内可见光三维成像技术研究进展图数字器官与三维成像拟合示意图应的信号强度在使用三维成像技术后可以得到￡转移灶所在的准确深度与此同时与器官相应位置结合后可对以确定转移灶的实际方位推算出信号衰减的情况的信号源强度加准确使整个研究更具意义而而叩由于得到了信号深度的数据可以据此【经过计算后可以得到精确以此得出确切的肿瘤细胞个数这卜一特点可以使得抗肿瘤及抗转移药物的药效评价更玫如从川在免疫学研究中体内的运动规律可以通过活体成像技术准确的跟踪目的细胞干细胞治疗后的确切疗效细胞淋巴细胞等在叭厄,不或者评价应用免疫细胞进行生物三维成像技术的准确定量功能可以使这些研究得到的结果更具有实际价值同样细菌也可对标记有报告基因的微生物如腺病毒等进行示踪内大分子如互作用《〕了解它们在体内传播的规律以及药口也物对它们的作用还可以应用三维成像技术研究体各种蛋白分子等的运动及其相能够获得比二维成像更多的信息为很多周涛韩或巩伟丽等活体动物体内成像技术及其在生物医学中的应用进展中国体视学与图像分析基础研究提供了良好的事实依据和验证平台总而言之成像仪的使用随着分子生物学技术的发展和活体可见光活体成像技术在肿瘤研究〔张怡韩或赵春林活体动物体内光学成像技术的研究进展生命科学,免疫研究的角色法传染病研究等医药领域将扮演更加重要可见光三维成像技术作为一种新的成像方科可以对待测对象进行功能性的定位和定量的评价随着这一技术的不断发展会进一步突破技术料上的难题例如确定信号源的形状这将为科研工【】,作者提供巨大的帮助「参考文献砚《