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你是否好奇，我們身體內(nèi)部的細胞、組織和器官是如何工作的？當疾病侵襲時，它們又會發(fā)生怎樣的變化？

活體成像技術，正如窺探生命奧秘的“千里眼”，使得我們可以在不干擾生物體自然狀態(tài)的前提下，觀察和記錄細胞、組織乃至整個生物體內(nèi)的動態(tài)過程。

（圖片來源：https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S016836592300319X-gr1.jpg）

技術發(fā)展背景

1999年，Weissleder等人提出了分子影像學的概念，即運用應用影像學方法，對生物體在活體狀態(tài)下細胞和分子層面的變化進行定性和定量的研究。

傳統(tǒng)影像學就像給身體拍X光片，能看到骨頭、器官等大塊組織的變化，但看不清細胞和分子層次的細節(jié)。就好比我們看一棟大樓，傳統(tǒng)影像學只能看到大樓的外觀和整體結構，而看不見構成大樓的磚塊和鋼筋。

而分子影像學更像是給身體做了一次“分子CT”，能看到細胞和分子水平上的變化。它就像是用顯微鏡觀察建筑物，能看到每一塊磚、每根鋼筋。通過特殊的分子探針，我們可以找到那些引起疾病的“元兇”，然后在影像上把它們“點亮”，這樣就能更清楚地了解疾病的發(fā)生發(fā)展過程。

（圖片來源：https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S1934590921000606-gr1.jpg）

技術原理

活體成像是一種能夠在保持生物體正常生命活動的情況下，允許研究人員觀測生物體內(nèi)細胞和分子水平變化的技術。

利用活體成像技術，研究人員可以實時觀測特異性細胞、基因和分子的表達或互作過程，并通過追蹤靶細胞，實現(xiàn)對藥物和基因治療的優(yōu)化，對同一個動物或病人進行時間、環(huán)境、發(fā)展和治療影響跟蹤。

活體成像主要包括生物發(fā)光（bioluminescence）、熒光（fluorescence）與同位素成像(Isotopes)三種技術。

● 生物發(fā)光成像：生物發(fā)光是一種自然現(xiàn)象，許多生物體都能產(chǎn)生光。當我們利用熒光素酶基因對細胞或DNA進行標記時，這些被標記的細胞或DNA在體內(nèi)表達熒光素酶時，在加入相應的底物后，就會發(fā)出生物光。這種光可以通過專門的儀器檢測到，從而實現(xiàn)對標記細胞的追蹤和成像。

它的優(yōu)點是背景信號低，靈敏度高，可用于深層組織成像。但通常需要外源性底物，且光子穿透力有限。

（圖片來源：Choi, M., Kwok, S.J., & Yun, S.H. (2015). In vivo fluorescence microscopy: lessons from observing cell behavior in their native environment. Physiology, 30 1, 40-9 .）

● 熒光成像：熒光成像是利用熒光蛋白（GFP、EGFP、RFP、YFP等）或熒光染料對生物分子進行標記，然后用激發(fā)光照射，使標記分子發(fā)出熒光，再利用專門的儀器檢測這些熒光信號，實現(xiàn)對生物過程的成像。

熒光蛋白種類豐富，可實現(xiàn)多色標記，靈敏度高。但容易受自發(fā)熒光和光漂白的干擾。

● 同位素成像：同位素成像是利用放射性同位素作為示蹤劑，標記研究對象，并進行活體成像的一種微量分析方法。通過檢測放射性同位素的分布和變化，可以反映生物體內(nèi)的代謝過程和生理活動。常用的同位素有碘-123、氟-18等。

同位素成像技術穿透力強，可用于深層組織成像，定量準確。但通常需要在專門的放射性核素實驗室進行，因為其存在輻射風險。

技術應用

● 腫瘤研究：利用熒光素酶基因標記腫瘤細胞，建立動物模型，研究人員可以實時觀察腫瘤的生長速度、轉移路徑和轉移灶的形成過程。即使是微小的腫瘤病灶（僅有數(shù)百個細胞）也能被檢測到，有助于早期發(fā)現(xiàn)腫瘤，并定制最佳治療方案。

● 感染性疾病研究：通過標記病原體，如細菌、病毒，我們可以實時追蹤它們在宿主體內(nèi)如何傳播、感染細胞以及免疫系統(tǒng)如何做出反應。此外，我們還可以標記免疫細胞，如T細胞、B細胞，觀察免疫系統(tǒng)對感染的反應，包括細胞的遷移、增殖和功能。

● 基因表達研究：利用活體成像技術，我們可以對感興趣的基因的表達產(chǎn)物進行標記，來研究基因在不同組織、不同發(fā)育階段或不同生理狀態(tài)下的表達模式，從而揭示基因的功能。

● 藥物開發(fā)：活體成像技術在藥物開發(fā)中發(fā)揮著重要作用，通過將熒光標記物與藥物分子偶聯(lián)，我們可以利用活體成像技術實時觀察藥物在體內(nèi)的分布情況，了解藥物是否準確到達作用靶點。同時，通過標記藥物代謝產(chǎn)物，我們可以追蹤藥物在體內(nèi)的代謝過程，從而優(yōu)化藥物的劑量和給藥間隔。

小結

活體成像技術是一種強大的影像學方法，能夠在細胞和分子水平上實時監(jiān)測生物過程的變化和發(fā)展。相信在未來，隨著技術的不斷進步和應用的深入拓展，活體成像技術將在生命科學、醫(yī)學研究和藥物開發(fā)等領域發(fā)揮更加重要的作用。

參考資料：

【1】https://www.antpedia.com/news/50/n-2421850.html

【2】https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1934590921000606