[科普中國]-生物光學(xué)成像

一張圖像即能夠包含大量的生物信息，無論在生物還是醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，科學(xué)工作者都希望能獲得一張直觀、清晰的靜態(tài)或者動態(tài)的圖像，來分析細胞或生物體特定區(qū)域的特征、狀態(tài)，甚至特定分子的表達、分布等信息。其中，生物光學(xué)成像由于其檢測儀器發(fā)展成熟、靈敏度高、對比度高、分辨率高、成像直觀、成像速度快和無損探測等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。其在探尋疾病的發(fā)病機理、臨床表現(xiàn)、基因病變,了解相應(yīng)的生理學(xué)和病理學(xué)信息,疾病診斷和新的醫(yī)療手段的開發(fā)等方面具有重要的實踐意義和應(yīng)用前景。

生物光學(xué)成像（Optical Imaging）是指利用光學(xué)的探測手段結(jié)合光學(xué)探測分子對細胞或者組織甚至生物體進行成像，來獲得其中的生物學(xué)信息的方法。如果把生物光學(xué)成像限定在可見光和近紅外光范圍，依據(jù)探測方式的不同生物光學(xué)成像可分為熒光成像、生物發(fā)光成像、光聲成像、光學(xué)斷層層析成像等。

應(yīng)用發(fā)展歷史生物光學(xué)成像具有很長的應(yīng)用歷史，從二十世紀80年代后期就有一些研究者嘗試向生物體內(nèi)注射外源性的熒光染料作為對比劑，通過非侵入的方式結(jié)合內(nèi)窺實現(xiàn)光學(xué)測量，來分辨腫瘤的正常和病態(tài)區(qū)域。生物光學(xué)成像依賴于光學(xué)分子探針的發(fā)展，其里程碑式的應(yīng)用是在1994年，Chalfie等實現(xiàn)了熒光蛋白的成功表達后。熒光蛋白是一種非常理想的活體標記分子，它無毒，不影響生物的功能，轉(zhuǎn)染后能在細胞內(nèi)自行合成，因而非常適合活體標記。熒光蛋白被迅速應(yīng)用于各種生物學(xué)研究中，特別是腫瘤的研究。幾名熒光蛋白的發(fā)現(xiàn)者和研究者，下村修(Osamu Shimomura)、馬丁·查爾菲(Martin Charfie)與錢永健(Roger Tsien)因此獲得了2008年的諾貝爾化學(xué)獎。

螢光素酶是另一類重要的應(yīng)用于生物成像的生物發(fā)光物。1985年，Dewet J.R.等首次克隆了P.Pyralis的螢光素酶基因，并在大腸桿菌中表達，從中獲得了具有活性的螢光素酶。1986年他們又測定了螢光素酶基因的cDNA序列。隨后，各種螢光素酶基因相繼克隆成功，并能在原核和真核系統(tǒng)中表達。如今，活體生物發(fā)光成像被無創(chuàng)地用于定量檢測小鼠整體的原位瘤、轉(zhuǎn)移瘤及自發(fā)瘤。目前利用該生物成像技術(shù)已可以檢測到體內(nèi)100個細胞的微轉(zhuǎn)移灶。熒光素酶已被廣泛應(yīng)用到生化、醫(yī)學(xué)等多個學(xué)科，可對細胞和活體內(nèi)的病毒、RNA等實現(xiàn)定量、實時、無創(chuàng)地觀測。

另外，隨著對光和生物組織之間相互作用的研究,20世紀90年代后期也出現(xiàn)了一種對生物組織光學(xué)特性參數(shù)(如吸收系數(shù)、散射系數(shù)等)進行成像的近紅外光學(xué)散射斷層成像技術(shù),也稱為熒光介導(dǎo)分子層析成像(FMT).它能夠?qū)M織內(nèi)的熒光報告基團進行量化從而獲得高清晰度圖像,采用高靈敏度的體外探測器對被測物體進行多點測量和采集;

光學(xué)斷層層析成像（OCT）和光聲成像二者也是在上世紀九十年代出現(xiàn)的新型的生物光學(xué)成像技術(shù)，是近年來研究和應(yīng)用相對較熱的兩種成像方式。二者在心血管疾病和癌癥的早期診斷等方面已發(fā)揮了重要的作用。

值得注意的是，由于生物組織對光來說屬于高散射介質(zhì)，在一定程度上限制了生物光學(xué)成像的應(yīng)用。 隨著光學(xué)成像的發(fā)展，許多基于生物組織光學(xué)參數(shù)的成像重建算法也被研究和開發(fā)。但這些算法雖然取得了一定的研究成果,但仍存在局限性，對生物組織光學(xué)特性參數(shù)的重建精度并不理想，如何提高算法的收斂速度和重建精度仍是需要進一步探討的問題。迄今為止，應(yīng)用于真實小動物體內(nèi)生物發(fā)光的重建還未見報道,因此有待于更深入的探索和研究.

生物光學(xué)成像分類熒光成像 Fluorescence imaging熒光成像技術(shù)采用熒光報告基團,包括無機材料，如上轉(zhuǎn)換、量子點等，有機材料，如綠色熒光蛋白、紅色熒光蛋白,或熒光染料等進行標記。利用激發(fā)光使得報告基團達到較高的分子能級水平,然后發(fā)射出波長更長的可見光,形成體內(nèi)生物光源,進行檢測。目前常用的熒光基團為各種小分子熒光染料、綠色熒光蛋白和紅色熒光蛋白等。近年來,熒光技術(shù)已在進行一些分子生物學(xué)以及小分子體內(nèi)代謝研究中得到了廣泛的應(yīng)用。

生物發(fā)光成像 Bioluminescence imaging生物自發(fā)光是由生物體所產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象,所需的激發(fā)能量來自生物體內(nèi)的酶促反應(yīng),是動物體內(nèi)的自發(fā)熒光,不需要激發(fā)光源。催化此類反應(yīng)的酶稱為螢光素酶。常用方法是構(gòu)建螢光素酶基因的表達載體轉(zhuǎn)染目標細胞,并移植到受體的靶器官中,觀察時注入外源螢光素,目標細胞內(nèi)即可發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生螢光,然后再利用高敏感度活體生物光學(xué)成像系統(tǒng)即可實現(xiàn)對靶細胞或靶分子表達的實時監(jiān)測。由于采用活體體內(nèi)光學(xué)成像,該技術(shù)具有以下優(yōu)點:①無創(chuàng)性。②可以連續(xù)重復(fù)檢測。③快速實時掃描成像。④敏感度高。⑤不良反應(yīng)小。

常用的螢光素酶有兩類,一類來自甲蟲類動物,如螢火蟲螢光素酶,其底物是螢光素,激活后發(fā)出紅光,波長在550～610nm,更容易透過組織;另一類來自海底發(fā)光動物,如海腎螢光素酶或高細亞螢光素酶,其底物是腔腸素,激活后發(fā)出藍光,波長在480nm左右,在體內(nèi)的代謝較快。由于腔腸素會引起非特異性發(fā)光,所以常使用螢火蟲螢光素酶。

光聲成像Photoacoustic imaging光聲成像主要利用了組織光學(xué)吸收的差異和光聲的能量轉(zhuǎn)化，是近年來發(fā)展起來的一種無損醫(yī)學(xué)成像方法，它結(jié)合了純光學(xué)成像的高對比度特性和由光能轉(zhuǎn)化成的超聲的高穿透深度特性，可以提供高分辨率和高對比度的組織成像?；诠饴曅?yīng)的時域光聲譜技術(shù)將光學(xué)和聲學(xué)有機地結(jié)合起來,部分地克服了光在組織中傳輸時組織強散射效應(yīng)的影響,因此光聲技術(shù)具有比近紅外技術(shù)更好的生物組織穿透性,同時還具有分辨率高、無副作用等特點,并正逐步成為生物組織無損檢測技術(shù)領(lǐng)域的另一研究熱點。它主要的應(yīng)用方向是人體組織成分檢測和組織層析成像光聲成像，能夠有效的進行生物組織結(jié)構(gòu)和功能成像，為研究生物組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)，生理特征，病理特征，代謝功能等提供了重要的手段。

光學(xué)層析成像Optical Coherence tomography, OCT由于在 600～1300nm 之間的近紅外"光學(xué)窗"范圍內(nèi), 生物組織的透光性能好,對光的吸收小,且近紅外技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的無損檢測,所以,近紅外技術(shù)成為目前生物無損檢測技術(shù)的研究重點。光學(xué)相干層析成像技術(shù)是一種利用光的穿透性，非侵入、非接觸微米級分辨率的成像技術(shù)，利用光學(xué)相干門來獲得組織內(nèi)部的層析結(jié)構(gòu)。又可分為多普勒OCT，偏振OCT 和光譜OCT等成像技術(shù)，在成像速度、信噪比和靈敏度等方面具有明顯優(yōu)勢，在眼科成像、功能成像等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

生物成像光學(xué)系統(tǒng)除了特殊的成像方式如光聲采用聲學(xué)接收的方式間接成像組織的光學(xué)特性外，一般的生物成像硬件系統(tǒng)主要有兩種方式實現(xiàn)：一種是光電倍增管掃描成像，如應(yīng)用于共聚焦顯微鏡上的顯微掃描系統(tǒng)；另外一種是電荷耦合器件CCD成像，多應(yīng)用于小動物成像、生物高光譜成像等系統(tǒng)。

發(fā)展前景目前,活體生物成像系統(tǒng)還存在一些缺陷。許多在體生物光學(xué)成像還僅僅停留在仿體和小動物實驗階段,尚未進入臨床應(yīng)用，在許多方面仍需進一步改進和完善. 尋找新的高量子效率熒光團，改進重建算法、拓展新型光學(xué)成像技術(shù)、提高圖像分辨率是未來的重要任務(wù)。然而，當前活體生物光學(xué)成像技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了將分子及細胞生物學(xué)技術(shù)從體外研究發(fā)展到生物體內(nèi)的跨越,為研究人員提供了廣闊的應(yīng)用空間。該技術(shù)已成為細胞核小動物模型研究中不可缺少的工具,從獨特的角度研究疾病病理過程、藥物開發(fā)以及藥物療效。事實上,生物光學(xué)成像技術(shù)已經(jīng)對基礎(chǔ)及應(yīng)用醫(yī)學(xué)研究產(chǎn)生了重大影響。

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本詞條內(nèi)容貢獻者為:

魏言春 - 副研究員 - 華南師范大學(xué)