五种小动物活体成像专用设备特点、应用及优缺点比较一
摘要：随着小动物成像技术的发展，活体小动物非侵袭性成像在临床前研究中发挥着越来越重要的作用。本文围绕五种小动物成像专用设备，综述其特点及主要应用，比较各种设备的优势和劣势，总结小动物活体成像设备的发展趋势。
动物模型是现代生物医学研究中重要的实验方法与手段，有助于更方便、更有效地认识人类疾病的发生、发展规律和研究FZ措施，同时大鼠、天竺鼠、小鼠等小动物由于诸多优势在生命科学、医学研究及药物开发等多个领域应用日益增多。近年来各种影像技术在动物研究中发挥着越来越重要的作用，涌现出各种小动物成像的专业设备，为科学研究提供了强有力的工具。
动物活体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。动物活体成像技术主要分为光学成像(opticalimaging)、核素成像（PET/SPECT）、核磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）、计算机断层摄影（computedtomography，CT）成像和超声（ultrasound）成像五大类。
活体成像技术是在不损伤动物的前提下对其进行长期纵向研究的技术之一。成像技术可以提供的数据有JD定量和相对定量两种。在样本中位置而改变，这类技术提供的为JD定量信息，如CT、MRI和PET提供的为JD定量信息；图像数据信号为样本位置依赖性的，如可见光成像中的生物发光、荧光、多光子显微镜技术属于相对定量范畴，但可以通过严格设计实验来定量[1]。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，称为功能成像；超声成像和CT则适合于解剖学成像，称为结构成像，MRI介于两者之间。
1.可见光成像
体内可见光成像包括生物发光与荧光两种技术[2]。生物发光是用荧光素酶基因标记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光信号；而荧光技术则采用荧光报告基因（GFP、RFP）或荧光染料（包括荧光量子点）等新型纳米标记材料进行标记，利用报告基因产生的生物发光、荧光蛋白质或染料产生的荧光就可以形成体内的生物光源。前者是动物体内的自发荧光，不需要激发光源，而后者则需要外界激发光源的激发[3]。
除萤火虫荧光素酶外，有时也会用到海肾荧光素酶（renillaLuciferase）[5]。二者的底物不一样，萤火虫荧光素酶的底物是荧光素（D-luciferin），海肾荧光素酶的底物是腔肠素（coelentarizine）。二者的发光波长不一样，前者所发的光波长在540~600nm，后者所发的光波长在460~540nm左右。前者所发的光更容易透过组织，在体内的代谢较后者慢，而且特异性好。所以，大部分活体实验使用萤火虫荧光素酶基因作为报告基因，如果需要双标记或特殊的实验，也可采用后者作为备选方案。
新问世的PpyRed红色漂移荧光素酶，把以前的荧光素酶的发光峰从562nm漂移到612nm。随着发光波长的增加，PpyRed红色漂移荧光素酶穿透性大大提高，被皮肤吸收的比例显著降低，且光的漫射现象减少，提高了分辨率。总的说来，PpyRed红色漂移荧光素酶提高了活体生物发光成像的灵敏度和分辨率[6]。
对于细菌标记，一般利用发光酶基因操纵子luxABCDE或luxCDABE，其由控制的编码荧光素酶的基因和编码荧光素酶底物合成酶的基因组成。利用这种办法进行标记的细菌会持续发光，不需要外源性底物。但是一般细菌标记需要转座子的帮助把外源基因插入到细菌染色体内稳定表达。通过荧光素酶基因标记的细菌进行的胃肠道排空的实验可以把活体成像的研究应用扩展到药物动力学、胃肠道功能学等领域[7]。
1.2荧光：荧光成像技术发展迅速，主要表现在成像探针的不断更新；光学成像系统不仅提供定量信息，还能提供三维立体图像和多项复杂的数据；红外线断层扫描重建、光谱分离、图像融合和多通道成像技术已经在许多成像系统常规应用。
五种小动物活体成像专用设备特点、应用及优缺点比较二
2.核素成像
正电子发射断层成像技术(positronemissiontomography，PET)和单光子发射计算机断层成像术(Single-PhotonEmissionComputedTomography，SPECT)是核医学的两种显像技术。
临床PET、SPECT显像效果欠佳，分辨率较低（临床PET分辨率为4~8mm），无法满足小动物显像研究的要求[13]。小动物PET、SPECT专为小动物实验而设计，探测区域小，空间分辨率很高，可达1.0mm[13]，有些？动物PET使用活动的扫描架不只适合小动物也适合中等大小的动物[14]。PET与SPECT相同之处是都利用放射性核素的示踪原理进行显像，皆属于功能显像。除了一般的分子成像技术都具有的无创伤、同一批动物持续观察的优点外，小动物PET/SPECT与其他分子显像方法相比还具有以下显著优势：①具有标记的广泛性，有关生命活动的小分子、小分子药物、基因、配体、抗体等都可以被标记；②绝对定量；③对于浅部组织和深部组织都具有很高的灵敏度，能够测定感兴趣组织中p-摩尔，甚至f-摩尔数量级的配体浓度，对于大鼠的检测很方便；④可获得断层及三维信息，实现较精确的定位；⑤小动物PET/SPECT可以动态地获得秒数量级的动力学资料，能够对生理和药理过程进行快速显像；⑥可推广到人体[15]。
2.1小动物PET：进行小动物PET显像，首先是利用医用回旋加速器发生的核反应，生产正电子放射性核素，通过有机合成、无机反应或生化合成制备各种小动物PET正电子显像剂或示踪物质。显像剂引入体内定位于靶器官，利用PET显像仪采集信息显示不同断面图并给出定量生理参数。小动物PET的优势在于特异性、敏感性和能定量示踪标记物，且PET使用的放射性核素多为动物生理活动需要的元素，因此不影响它的生物学功能，放射性标记物进入动物体内后，由于其本身的特点，能够聚集在特定的组织器官或参与组织细胞的代谢；半衰期超短，一般在十几分钟到几小时，适合于快速动态研究，如11C、15O、3N，半衰期在20min以内[16]；同时湮没辐射产生的两个能量相等的γ光子互成180°，提供了很好的空间定位，所以正电子成像仪一般不需要机械准直器，采用电子准直，从而大大提高了探测灵敏度，改善了空间分辨率。
尽管小动物PET已取得了巨大发展，然而却面临以下挑战，空间分辨率和系统绝对灵敏度是影响PET图像质量的重要指标，但分辨率和灵敏度却是一对矛盾体，分辨率虽已达到1mm，但却降低了灵敏度；同时小动物PET在很大程度上缺少解剖结构信息和使用放射性核素，要求回旋加速器靠近成像设备[14]。
基于小动物PET巨大的应用潜能与前景，其必将成为药物的寻找和开发、以动物模型模拟人类疾病揭示疾病的生化过程、研究活体动物基因表达显像以及其他生物医学领域的重要方法[17]。
作为生物医学研究的重要技术平台，核素成像技术用于发现易于为核素标记的既定靶目标底物的存在，或用于追踪小量标记基因药物和进行许多药物抵抗或病毒载体的传送。
3.小动物CT
小CT系统在小动物骨和肺部组织检查等方面具有独特的优势。对于骨的研究，分辨率限制在15μm，如果在小梁水平上分析，负荷也被考虑在内；小CT也常应用在呼吸系统疾病（如哮喘、慢性阻塞性肺疾病）的检测，为避免呼吸和其他人为因素造成的动物固定器移动，现在多用附加组件来控制呼吸和使人为因素最小化；特异对比因子的使用可以进一步促进软组织的研究如心血管发生、肿瘤生长等。高分辨率小CT系统在研究软组织肿瘤和转基因动物的特征性结构上取得了较好的效果[14]。
4.小动物MRI
MRI是依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，而绘制出物体内部的结构图像。相对于CT，MRI具有无电离辐射性(放射线)损害，高度的软组织分辨能力，无需使用对比剂即可显示血管结构等独特优点。对于核素和可见光成像，小动物MRI的优势是具有微米级的高分辨率及低毒性；在某些应用中，MRI能同时获得生理、分子和解剖学的信息，这些正是核医学、光学成像的弱点。对于小动物研究，小动物MRI是一个功能强大、多用途的成像系统[22]，但是MRI的敏感性较低（微克分子水平），与核医学成像技术的纳克分子水平相比，低几个数量级[14]。所以它不是最理想的成像系统，随着多模式平台的发展，如MRI/PET，可以从一个仪器中得到更全面的信息。
最近，动物MRI发展的焦点集中在新的增强对比因子以增加敏感度和特异性。增强对比因子分为非特异性的、靶向性的和智能性的[23]。非特异探针如螯合钆显示非特异的分散模式，用于测量组织灌注率和血管的渗透率；靶向探针如钆标记的抗生物素蛋白和膜联蛋白顺磁性氧化铁颗粒被设计成特异配体如多肽和抗体，如近年研制的超小顺磁性氧化铁(USPIO)可用于标记癌细胞、造血细胞、干细胞、吞噬细胞和胰岛细胞等，在体外或体内标记后进行体内跟踪，了解正常细胞或癌细胞的生物学行为或转移、代谢的规律[24]；膜联蛋白V顺磁性氧化铁颗粒被用来检测凋亡细胞，因为凋亡细胞磷脂酰丝氨酸暴露在细胞表面，导致与其有高特异性结合的膜联蛋白V（AnnexinV）的摄取增加[25]。智能探针和靶向探针一样有一特异靶点，但不同的是在和特异配体作用以后探针信号才改变，才可以被检测出。
目前MRI分子影像图像仅仅局限于临床前期的动物研究中，MRI分子影像距离真正的临床分子影像图像还有很远的路程，需要设计新的分子探针来适应临床诊断和ZL的需要。
5.小动物超声
超声基于声波在软组织传播而成像，由于无辐射、操作简单、图像直观、价格便宜等优势在临床上广泛应用。在小动物研究中，由于所达到组织深度的限制和成像的质量容易受到骨或软组织中的空气的影响而产生假象。所以超声不像其他动物成像技术那样应用广泛，应用主要集中在生理结构易受外界影响的膀胱和血管[26]，此外小动物超声在转基因动物的产前发育研究中有很大优势[27]。
小动物活体成像设备主要特点
6.发展与展望
传统的形态学成像技术，如CT、MRI和超声等有较高的空间分辨率，但他们的共同缺点是直到组织结构变化才能检测到疾病，即对疾病的敏感性较低，而这时疾病通常已到中晚期；功能成像技术，如可见光成像、核素成像则能通过分子和细胞的变化检测到疾病，例如肿瘤在导致组织结构变化之前就可通过核素成像被检测到，但功能成像技术的空间分辨率较低，结构信息不足[28]。由于每种成像技术都有其独特的优势和局限性，结合几种技术的多模式成像平台，象PET/SPECT/CT，FMT–CT,FMT–MRI,PET–MRI等应运而生，这些多模式成像平台促进了图像的重构和数据的可视[29]。例如PET/SPECT–CT、PET/SPECT–MRI将PET显像与高分辨率、非侵入性解剖学显像如CT、MRI等结合起来，这样在研究中即可获得生物功能信息又得到解剖结构信息。
如PET与CT两种不同成像原理的设备同机组合，不是其功能的简单相加，而是在此基础上进行图像融合，图像融合处理系统利用各自成像方式的特点对两种图像进行空间配准与结合，将影像数据注册后合成为一个单一的影像。PET-CT同机融合具有相同的定位坐标系统，动物扫描时不必改变位置，即可进行PET-CT同机采集，避免了由于动物移位所造成的误差。CT除用于解剖定位外，还可提供一种快速低噪音衰减校正和部分体积校正方法，并在PET图像重建过程中降低显像噪音、提高图像质量。小动物专用PET/CT扫描仪将极大提高PET显像的准确性。几种技术结合的多模式成像平台是动物活体成像的一个发展趋势。
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拉曼光谱的分析方向和优缺点
拉曼光谱的分析方向
定性分析：不同的物质具有不同的特征光谱，因此可以通过光谱进行定性分析。
结构分析：对光谱谱带的分析，又是进行物质结构分析的基础。
定量分析：根据物质对光谱的吸光度的特点，可以对物质的量有很好的分析能力。
拉曼光谱仪用于分析的优缺点
1、拉曼光谱用于分析的优点
2、拉曼光谱用于分析的不足
（1）拉曼散射面积。
（2）不同振动峰重叠和拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响。
（3）荧光现象对傅里叶变换拉曼光谱分析的干扰。
（4）在进行傅里叶变换光谱分析时，常出现曲线的非线性问题。
（5）任何一种物质的引入都会对被测体体系带来某种程度的污染，这等于引入了一些误差的可能性，会对分析的结果产生一定的影响。