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一文让您了解“生物光学成像”

时间：2021-5-25 09:20作者：update 阅读(1313) 评论: 5来自: 网络

导读：一张图像即能够包含大量的生物信息，无论在生物还是医学研究领域，科学工作者都希望能获得一张直观、清晰的静态或者动态的图像，来分析细胞或生物体特定区域的特征、状态，甚至特定分子的表达、分布等信息。

　　一张图像即能够包含大量的生物信息，无论在生物还是医学研究领域，科学工作者都希望能获得一张直观、清晰的静态或者动态的图像，来分析细胞或生物体特定区域的特征、状态，甚至特定分子的表达、分布等信息。

　　其中，生物光学成像由于其检测仪器发展成熟、灵敏度高、对比度高、分辨率高、成像直观、成像速度快和无损探测等优点被广泛应用。其在探寻疾病的发病机理、临床表现、基因病变,了解相应的生理学和病理学信息,疾病诊断和新的医疗手段的开发等方面具有重要的实践意义和应用前景。

　　生物光学成像（Optical Imaging）是指利用光学的探测手段结合光学探测分子对细胞或者组织甚至生物体进行成像，来获得其中的生物学信息的方法。

　　如果把生物光学成像限定在可见光和近红外光范围，依据探测方式的不同生物光学成像可分为荧光成像、生物发光成像、光声成像、光学断层层析成像等。

　　生物光学成像具有很长的应用历史，从二十世纪80年代后期就有一些研究者尝试向生物体内注射外源性的荧光染料作为对比剂，通过非侵入的方式结合内窥实现光学测量，来分辨肿瘤的正常和病态区域。

　　生物光学成像依赖于光学分子探针的发展，其里程碑式的应用是在1994年，Chalfie等实现了荧光蛋白的成功表达后。荧光蛋白是一种非常理想的活体标记分子，它无毒，不影响生物的功能，转染后能在细胞内自行合成，因而非常适合活体标记。荧光蛋白被迅速应用于各种生物学研究中，特别是肿瘤的研究。几名荧光蛋白的发现者和研究者，下村修(Osamu Shimomura)、马丁·查尔菲(Martin Charfie)与钱永健(Roger Tsien)因此获得了2008年的诺贝尔化学奖。

　　萤光素酶是另一类重要的应用于生物成像的生物发光物。1985年，Dewet J.R.等首次克隆了P.Pyralis的萤光素酶基因，并在大肠杆菌中表达，从中获得了具有活性的萤光素酶。1986年他们又测定了萤光素酶基因的cDNA序列。随后，各种萤光素酶基因相继克隆成功，并能在原核和真核系统中表达。如今，活体生物发光成像被无创地用于定量检测小鼠整体的原位瘤、转移瘤及自发瘤。目前利用该生物成像技术已可以检测到体内100个细胞的微转移灶。荧光素酶已被广泛应用到生化、医学等多个学科，可对细胞和活体内的病毒、RNA等实现定量、实时、无创地观测。

　　另外，随着对光和生物组织之间相互作用的研究,20世纪90年代后期也出现了一种对生物组织光学特性参数(如吸收系数、散射系数等)进行成像的近红外光学散射断层成像技术,也称为荧光介导分子层析成像(FMT).它能够对组织内的荧光报告基团进行量化从而获得高清晰度图像,采用高灵敏度的体外探测器对被测物体进行多点测量和采集;

　　光学断层层析成像（OCT）和光声成像二者也是在上世纪九十年代出现的新型的生物光学成像技术，是近年来研究和应用相对较热的两种成像方式。二者在心血管疾病和癌症的早期诊断等方面已发挥了重要的作用。

　　值得注意的是，由于生物组织对光来说属于高散射介质，在一定程度上限制了生物光学成像的应用。随着光学成像的发展，许多基于生物组织光学参数的成像重建算法也被研究和开发。但这些算法虽然取得了一定的研究成果,但仍存在局限性，对生物组织光学特性参数的重建精度并不理想，如何提高算法的收敛速度和重建精度仍是需要进一步探讨的问题。迄今为止，应用于真实小动物体内生物发光的重建还未见报道,因此有待于更深入的探索和研究。

　　生物光学成像分类

　　荧光成像Fluorescence imaging

　　荧光成像技术采用荧光报告基团,包括无机材料，如上转换、量子点等，有机材料，如绿色荧光蛋白、红色荧光蛋白,或荧光染料等进行标记。利用激发光使得报告基团达到较高的分子能级水平,然后发射出波长更长的可见光,形成体内生物光源,进行检测。目前常用的荧光基团为各种小分子荧光染料、绿色荧光蛋白和红色荧光蛋白等。近年来,荧光技术已在进行一些分子生物学以及小分子体内代谢研究中得到了广泛的应用。

　　生物发光成像Bioluminescence imaging

　　生物自发光是由生物体所产生的发光现象,所需的激发能量来自生物体内的酶促反应,是动物体内的自发荧光,不需要激发光源。催化此类反应的酶称为萤光素酶。常用方法是构建萤光素酶基因的表达载体转染目标细胞,并移植到受体的靶器官中,观察时注入外源萤光素,目标细胞内即可发生反应产生萤光,然后再利用高敏感度活体生物光学成像系统即可实现对靶细胞或靶分子表达的实时监测。

　　由于采用活体体内光学成像,该技术具有以下优点:①无创性。②可以连续重复检测。③快速实时扫描成像。④敏感度高。⑤不良反应小。

　　常用的萤光素酶有两类,一类来自甲虫类动物,如萤火虫萤光素酶,其底物是萤光素,激活后发出红光,波长在550～610nm,更容易透过组织;另一类来自海底发光动物,如海肾萤光素酶或高细亚萤光素酶,其底物是腔肠素,激活后发出蓝光,波长在480nm左右,在体内的代谢较快。由于腔肠素会引起非特异性发光,所以常使用萤火虫萤光素酶。

　　光声成像Photoacoustic imaging

　　光声成像主要利用了组织光学吸收的差异和光声的能量转化，是近年来发展起来的一种无损医学成像方法，它结合了纯光学成像的高对比度特性和由光能转化成的超声的高穿透深度特性，可以提供高分辨率和高对比度的组织成像。基于光声效应的时域光声谱技术将光学和声学有机地结合起来,部分地克服了光在组织中传输时组织强散射效应的影响,因此光声技术具有比近红外技术更好的生物组织穿透性,同时还具有分辨率高、无副作用等特点,并正逐步成为生物组织无损检测技术领域的另一研究热点。它主要的应用方向是人体组织成分检测和组织层析成像光声成像，能够有效的进行生物组织结构和功能成像，为研究生物组织的形态结构，生理特征，病理特征，代谢功能等提供了重要的手段。

　　光学层析成像Optical Coherence tomography,OCT

　　由于在600～1300nm之间的近红外"光学窗"范围内,生物组织的透光性能好,对光的吸收小,且近红外技术能够实现真正意义上的无损检测,所以,近红外技术成为目前生物无损检测技术的研究重点。光学相干层析成像技术是一种利用光的穿透性，非侵入、非接触微米级分辨率的成像技术，利用光学相干门来获得组织内部的层析结构。又可分为多普勒OCT，偏振OCT和光谱OCT等成像技术，在成像速度、信噪比和灵敏度等方面具有明显优势，在眼科成像、功能成像等领域发挥了重要作用。

　　生物成像光学系统

　　除了特殊的成像方式如光声采用声学接收的方式间接成像组织的光学特性外，一般的生物成像硬件系统主要有两种方式实现：一种是光电倍增管扫描成像，如应用于共聚焦显微镜上的显微扫描系统；另外一种是电荷耦合器件CCD成像，多应用于小动物成像、生物高光谱成像等系统。

　　发展前景

　　目前,活体生物成像系统还存在一些缺陷。许多在体生物光学成像还仅仅停留在仿体和小动物实验阶段,尚未进入临床应用，在许多方面仍需进一步改进和完善.寻找新的高量子效率荧光团，改进重建算法、拓展新型光学成像技术、提高图像分辨率是未来的重要任务。

　　然而，当前活体生物光学成像技术已经实现了将分子及细胞生物学技术从体外研究发展到生物体内的跨越,为研究人员提供了广阔的应用空间。该技术已成为细胞核小动物模型研究中不可缺少的工具,从独特的角度研究疾病病理过程、药物开发以及药物疗效。事实上,生物光学成像技术已经对基础及应用医学研究产生了重大影响。

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