小动物体内可见光三维成像技术研究进展
文章编号 ：1004-0374(2008)04-0000-06
小动物体内可见光三维成像技术研究进展
杨华瑜1，韩 彧2，董洪莹2，赵春林2*
(1 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 100730；
2 北京龙脉得- 冷泉港生物技术有限公司， 北京 100084)
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、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的应用。随着成像技术和检测仪器的不断发展，现已从平面二维成像逐渐发展为立体三维成像。 三维成像技术在靶点的空间定位、与器官的关系，及绝对定量方面都有了很大的进展。 本文就三维成像技术的原理、应用和发展前景进行了简要的综述。
关键词：体内光学成像；三维活体成像；生物发光；荧光；肿瘤转移
中图分类号：R445.1; Q631.11 文献标识码：A
Current developments of 3-D optical in vivo imaging technology in animal
YANG Hua-yu1, HAN Yu2, DONG Hong-ying2, ZHAO Chun-lin2*
(1Department of Liver Surgery, PUMCH, CAMS, Beijing 100730, China;
2Longmed, Inc/CS-Biotech, Inc., Beijing 100084, China)
Abstract: Bioluminescence and fluorescence have been proved to be a versatile and useful tool for animal in vivoimaging. Optical imaging employs sensitive instrument to monitor the activities of cell, protein and gene in vivo.It has been used widely in biomedical research and drug discoveries. With the recent development of the technology and instruments, the 2Dimentional imaging has developed to 3Dimential imaging in vivo. 3-D imaging will provide researchers not only detailed spatial information of the targets, its relationship with animal organs, but more quantitative results in vivo. This paper reviews of the current principles, developments and applications of the 3-D optical in vivo imaging technologies.
Key Words: animal imaging; in vivo optical imaging; 3-Dimentional bioluminescence; fluorescence; tumor
metastasis
活体动物体内光学成像(optical in vivo imaging)主要采用生物发光(bioluminescence)与荧光(fluorescence)两种技术标记细胞、蛋白质或DNA，利用一套非常灵敏的光学检测仪器，直接监控活体生物体内的细胞活动、蛋白表达情况和基因行为。通过这个系统，可以观测活体动物体内肿瘤的生长及转移、感染性疾病发展过程、特定基因的表达等生物学过程。传统的动物实验方法需要在不同的时间点宰杀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，可见光体内成像通过对同一组实验对象在不同时间点进行记录，跟踪同一观察目标(标记细胞及基因)的移动及变化，所得的数据更加真实可信。另外, 这一技术最大的特点就是其极高的灵敏度，对肿瘤微小转移灶的检测灵敏度极高，可以检测到体内几百个标记的细胞。并且，这个技术不涉及放射性物质和方法, 非常安全。 因其操作极其简单、所得结果直观、灵敏度高等特点, 在刚刚发展起来的几年时间内，已广泛应用于生命科学、医学研究及药物开发等方面[1-4]。仅仅近两年在Nature和Science 杂志上就有四十多篇的论文在各个领域及各种方式应用到了这个技术[5-8]，文献[9,10]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，例如，仅能确定发光信号在体内的二维平面信息，无法确定发光信号位于体内的深度，无法准确定位发光信号与动物器官的直接关系，即无法实现三维成像。光子在组织内被吸收和分散；CCD 镜头采集到的信号强弱有赖于信号源的深度；仅仅凭借光的强度和其表面图像无法判断标记物的绝对数量和其深度，因而出现使用二维成像技术所获得的图像中，动物背侧和腹侧成像得到的结果有很大区别。最近一年来，这个技术最令人瞩目的一项进展就是从二维成像拓展到三维成像。本文就小动物体内可见光的三维成像技术的原理和应用进行详细的分析。
1 概述
三维成像对于二维成像技术的优势自然不必多说，一个非常接近的例子就是CT 与X-Ray 成像的区别。尤其当利用可见光成像时，因为可见光穿透性的限制，透过动物体内时，又有不可避免的折射和散射，即使对同一只老鼠成像时，在腹部和背部成像的结果可能有很大的区别。没有三维成像技术，很难对结果做出满意的解释(图1)。
目前，对于动物体内可见光三维成像技术有两个方向已经得到实施，它们分别是多角度扫描技术和单角度三维成像技术。单角度三维成像技术又分为层析成像技术(diffuse luminescent image tomography,DLIT)和透视成像技术(fluorescence luminescent imagetomography，FLIT )。前者应用于生物发光的三维成像；后者应用于荧光的三维成像。
1.1 多角度扫描技术 多角度扫描技术是比较传统的三维成像技术, 也是研究人员比较熟悉的一个技术。该技术的原理与CT 及PET 等其他三维成像技术很类似。它对小鼠不同的角度进行二维成像，然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2)。
因为生物发光成像的检测需要很灵敏的CCD镜头，其对环境温度要求达到-90℃。利用这个原理的仪器往往CCD镜头是固定的，而将小动物平台环绕检测镜头一周成像。 这种技术的优势是分辨率相对较高，原理简单，容易理解。 但是这种成像的时间要求较长，需要20 － 30min。 并且，每次只能成像一只小鼠，在通量上有一定局限性。 这种技术在可见光成像中的应用并不普遍，往往只是在利用其他高通量检测技术发现到一个特别感兴趣的小鼠后， 需要详细研究时， 才采取这个技术。XENOGEN公司的IVIS 3D即采用此种技术进行生物发光的三维成像。
1.2 单角度三维成像技术 单角度三维成像技术是相对于多角度扫描技术而命名的，是利用不同波长的光对动物组织的穿透性不同这一特性(例如红光在体内的穿透性远远大于绿光)。采用不同的滤光片在560 － 660nm获得多个(至少二个)波长的图像信息。举个例子：绿光波长较红光波长短，相对更难穿透组织。假设可见光标记的靶点在体外发出的光中，绿光与红光的强度是1:1，若得到的图像中，绿光与红光得到的信号强度接近1:1，则发光信号在体内的位置很浅。 但是若得到的图像中，绿光与红光得到的信号强度为1:4 时，则证实发光信号在组织中所处的位置较深，这是因为绿光的衰减远远大于红光。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，模拟出的三维图像。此技术的关键点是重建算法，常用的重建算法早已应用在地球物理领域，用于地震检测。尽管是通过算法重建估算出靶点深度，但所得数据仍是十分可靠的，其误差可以控制在10% 以内。体内可见光层析成像技术，是由XENOGEN公司自主设计开发的，用于生物发光标记的动物，特别适合动物组织的光学特性。模拟程度和真实解剖获得的数值十分接近，在动物成像领域属于领先地位，暂时无其他方法可达到此水平。测试时其首先使用结构光源(structured light)获得动物表面拓扑图像，得到动物外表的三维成像。之后使用软件控制滤镜组的转动，在560 － 660nm 之间获得不同波长下的图像，如图3 所示，560nm时信号较弱；580nm时有所增加；600nm时信号最强，这是因为较长波长的光在动物体内的穿透性较强。标记的靶点在体内越深，短波长的信号衰减越多，长波长的信号相对衰减较小。两者强度的比例变化同标记靶点在体内的深度直接相关。根据不同波长的光衰减的不同，通过软件计算出靶点信号的深度，再结合表面拓扑图像得到的小动物形状，构建出小动物体内的三维图像。拥有了靶点在动物体内的深度信息，就可以计算出信号在体内的衰减。所以，这种方法得到的图像不仅可以测量图像中任意两点之间的距离，还很好地解决了信号源深度的绝对定量问题。
这种技术的优势在于可以快速、高通量地进行三维成像， 是目前主要的可见光三维成像技术。XENOGEN 公司的IVIS 200 和IVIS Spectrum采用了此种技术进行生物发光的三维成像。
荧光透视成像技术(fluorescence luminescent imagetomography，FLIT ) 又称为穿透性荧光三维成像技术，采用激发光从小动物底部激发，穿透小动物后，使用不同波长的滤光镜从小动物的上部进行光谱采集。这一方式不仅有效地避免了动物皮毛和其他一般组织所产生的非特异性背景荧光对结果的干扰，并且能够得到荧光标记靶点的体内深度信息。进行测量时首先还是利用结构光源(structured light)获得动物拓扑表面图像，之后利用软件选择动
物底部的几个特定点作为穿透性激发光源，使用不同波长的滤光片进行发射光信号的采集。根据不同激发光源位置所得的光谱不同，扩散的大小和方位，以及光强的变化，利用计算机软件对动物模型的模拟结果，确定出信号源在动物体内的深度信息。结合拓扑表面图像，利用软件模拟出小动物体内荧光标记物的三维成像图( 图4) 。目前，只有XENOGEN公司的IVIS Spectrum采用了此种技术进行荧光的三维成像。
2 三维成像结果与动物器官的关系
通过DLIT 和FLIT技术可以获得动物生物发光和荧光的三维成像图，这一结果是基于和拓扑表面图像结合的结果，并没有与动物体内的器官建立相对应的关联。为了能够更准确地定位信号源在体内所在的器官，使用不同断层的病理切片和小鼠不同姿势的CT 图谱，建立了数字化的小鼠器官图。可以将计算好的三维成像图与器官图进行拟合，用以确定信号所在的器官位置(图5)。这种方法的局限在于所有的三维成像图都和相同的数字器官图拟合，仅在动物体表面积上有所变化。随着软件的进一步发展，可以把三维成像图与真实老鼠的CT、MRI 所获得结构性成像叠加，获得特异性更强的结果。XENOGEN 公司的IVIS 200 及IVIS Spectrum采用了此种方法进行三维成像图和器官图的拟合。
3 三维成像在生物学及医药研究领域中的应用二维活体光学成像技术在生物医学中已经得到了广泛的应用，但是信号的强度、准确的定量以及信号源的强深度都无法通过二维成像得到解决。伴随着三维成像技术的发展，困扰科研工作者的难题都将迎刃而解，三维成像技术也将越来越多地应用到广阔的领域中，包括肿瘤微转移研[11]、流体细胞(干细胞、T 细胞、淋巴细胞等)研究[12]、基因表达研究[13]、病毒和细菌的研究[14]、大分子体内分布和运动等方面。
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。在使用二维成像技术时仅能得到简单的信号面积图像和相应的信号强度。在使用三维成像技术后，可以得到转移灶所在的准确深度，与器官相应位置结合后可以确定转移灶的实际方位，使整个研究更具意义。与此同时，由于得到了信号强度的数据，可以据此推算出信号衰减的情况，经过计算后可以得到精确的信号源深度，以此得出确切的肿瘤细胞个数。这一特点可以使得抗肿瘤及抗转移药物的药效评价更加准确。在免疫学研究中，可以通过活体成像技术准确的跟踪目的细胞(干细胞、T 细胞、淋巴细胞等)在体内的运动规律，或者评价应用免疫细胞进行生物治疗后的确切疗效。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。同样也可对标记有报告基因的微生物(如腺病毒，细菌等)进行示踪，了解它们在体内传播的规律以及药物对它们的作用。还可以应用三维成像技术研究体内大分子(如Ig G、各种蛋白分子等)的运动及其相互作用，能够获得比二维成像更多的信息，为很多基础研究提供了良好的事实依据和验证平台。总而言之，随着分子生物学技术的发展和活体成像仪的使用，可见光活体成像技术在肿瘤研究、免疫研究、传染病研究等医药领域将扮演更加重要的角色，可见光三维成像技术作为一种新的成像方法，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]
[1] Blum G, Degenfeld GV, Merchant MJ, et al. Noninvasiveoptical imaging of cysteine protease activity using fluorescently quenched activity-based probes. Nat ChemBiol, 2007, 3(10): 668-77
[2] Lee D, Khaja S, Velasquez-Castano JC, et al. In vivo imagingof hydrogen peroxide with chemiluminescent nanoparticles.Nat Mater, 2007, 6(10): 765-9
[3] Dentin R, Liu Y, Koo SH, et al. Insulin modulates gluconeogenesisby inhibition of the coactivator TORC2. Nature,2007, 449(7160): 366-9
[4] Zhang LM, Lee KC, Bhojani MS, et al. Molecular imaging ofAkt kinase activity. Nat Med, 2007, 13(9): 1114-9
[5] Xue W, Zender L, Miething C, et al. Senescence and tumourclearance is triggered by p53 restoration in murine livercarcinomas. Nature, 2007, 445(7128): 656-60
[6] Wan YY, Flavell RA. Regulatory T-cell functions are subvertedand converted owing to attenuated Foxp3 expression.Nature, 2007, 445(7129): 766-70
[7] Walensky LD, Kung AL, Escher I, et al. Activation ofapoptosis in vivo by a hydrocarbon-stapled BH3 helix. Science, 2004, 305(5689): 1466-70
[8] Negrin RS, Contag CH. In vivo imaging using bioluminescence:a tool for probing graft-versus-host disease. Nat RevImmunol, 2006, 6(6): 484-90
[9] 周 涛,韩 彧,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, 2007, 12(1): 69-74
[10] 张 怡,韩 彧,赵春林. 活体动物体内光学成像技术的研究进展.生命科学, 2006, 18(1): 25-30
[11] Gupta GP, Nguyen DX, Chiang AC, et al. Mediators ofvascular remodelling co-opted for sequential steps in lungmetastasis. Nature, 2007, 446(7137): 765-70
[12] Dierks C, Grbic J, Zirlik K, et al. Essential role of stromallyinduced hedgehog signaling in B-cellmalignancies. Nat Med,2007, 13(9): 944-51
[13] Minn AJ, Gupta GP, Siegel PM, et al. Genes that mediatebreast cancer metastasis to lung. Nature, 2005, 436(7050):518-24
[14] Zhang N, Fang ZX, Contag PR, et al. Tracking angiogenesisinduced by skin wounding and contact hypersensitivity usinga Vegfr2-luciferase transgenic mouse. Blood, 2004, 103(2): 617-26
冷泉港/龙脉得生物技术有限公司 赵春林 供稿
Email：adamzhao@cs-biotech.com
010-68080899，68080660
http://www.cs-biotech.com
小动物体内可见光三维成像技术研究进展
杨华瑜1，韩 彧2，董洪莹2，赵春林2*
(1 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 100730；
2 北京龙脉得- 冷泉港生物技术有限公司， 北京 100084)
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、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的应用。随着成像技术和检测仪器的不断发展，现已从平面二维成像逐渐发展为立体三维成像。 三维成像技术在靶点的空间定位、与器官的关系，及绝对定量方面都有了很大的进展。 本文就三维成像技术的原理、应用和发展前景进行了简要的综述。
关键词：体内光学成像；三维活体成像；生物发光；荧光；肿瘤转移
中图分类号：R445.1; Q631.11 文献标识码：A
Current developments of 3-D optical in vivo imaging technology in animal
YANG Hua-yu1, HAN Yu2, DONG Hong-ying2, ZHAO Chun-lin2*
(1Department of Liver Surgery, PUMCH, CAMS, Beijing 100730, China;
2Longmed, Inc/CS-Biotech, Inc., Beijing 100084, China)
Abstract: Bioluminescence and fluorescence have been proved to be a versatile and useful tool for animal in vivoimaging. Optical imaging employs sensitive instrument to monitor the activities of cell, protein and gene in vivo.It has been used widely in biomedical research and drug discoveries. With the recent development of the technology and instruments, the 2Dimentional imaging has developed to 3Dimential imaging in vivo. 3-D imaging will provide researchers not only detailed spatial information of the targets, its relationship with animal organs, but more quantitative results in vivo. This paper reviews of the current principles, developments and applications of the 3-D optical in vivo imaging technologies.
Key Words: animal imaging; in vivo optical imaging; 3-Dimentional bioluminescence; fluorescence; tumor
metastasis
活体动物体内光学成像(optical in vivo imaging)主要采用生物发光(bioluminescence)与荧光(fluorescence)两种技术标记细胞、蛋白质或DNA，利用一套非常灵敏的光学检测仪器，直接监控活体生物体内的细胞活动、蛋白表达情况和基因行为。通过这个系统，可以观测活体动物体内肿瘤的生长及转移、感染性疾病发展过程、特定基因的表达等生物学过程。传统的动物实验方法需要在不同的时间点宰杀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，可见光体内成像通过对同一组实验对象在不同时间点进行记录，跟踪同一观察目标(标记细胞及基因)的移动及变化，所得的数据更加真实可信。另外, 这一技术最大的特点就是其极高的灵敏度，对肿瘤微小转移灶的检测灵敏度极高，可以检测到体内几百个标记的细胞。并且，这个技术不涉及放射性物质和方法, 非常安全。 因其操作极其简单、所得结果直观、灵敏度高等特点, 在刚刚发展起来的几年时间内，已广泛应用于生命科学、医学研究及药物开发等方面[1-4]。仅仅近两年在Nature和Science 杂志上就有四十多篇的论文在各个领域及各种方式应用到了这个技术[5-8]，文献[9,10]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，例如，仅能确定发光信号在体内的二维平面信息，无法确定发光信号位于体内的深度，无法准确定位发光信号与动物器官的直接关系，即无法实现三维成像。光子在组织内被吸收和分散；CCD 镜头采集到的信号强弱有赖于信号源的深度；仅仅凭借光的强度和其表面图像无法判断标记物的绝对数量和其深度，因而出现使用二维成像技术所获得的图像中，动物背侧和腹侧成像得到的结果有很大区别。最近一年来，这个技术最令人瞩目的一项进展就是从二维成像拓展到三维成像。本文就小动物体内可见光的三维成像技术的原理和应用进行详细的分析。
1 概述
三维成像对于二维成像技术的优势自然不必多说，一个非常接近的例子就是CT 与X-Ray 成像的区别。尤其当利用可见光成像时，因为可见光穿透性的限制，透过动物体内时，又有不可避免的折射和散射，即使对同一只老鼠成像时，在腹部和背部成像的结果可能有很大的区别。没有三维成像技术，很难对结果做出满意的解释(图1)。
目前，对于动物体内可见光三维成像技术有两个方向已经得到实施，它们分别是多角度扫描技术和单角度三维成像技术。单角度三维成像技术又分为层析成像技术(diffuse luminescent image tomography,DLIT)和透视成像技术(fluorescence luminescent imagetomography，FLIT )。前者应用于生物发光的三维成像；后者应用于荧光的三维成像。
1.1 多角度扫描技术 多角度扫描技术是比较传统的三维成像技术, 也是研究人员比较熟悉的一个技术。该技术的原理与CT 及PET 等其他三维成像技术很类似。它对小鼠不同的角度进行二维成像，然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2)。
因为生物发光成像的检测需要很灵敏的CCD镜头，其对环境温度要求达到-90℃。利用这个原理的仪器往往CCD镜头是固定的，而将小动物平台环绕检测镜头一周成像。 这种技术的优势是分辨率相对较高，原理简单，容易理解。 但是这种成像的时间要求较长，需要20 － 30min。 并且，每次只能成像一只小鼠，在通量上有一定局限性。 这种技术在可见光成像中的应用并不普遍，往往只是在利用其他高通量检测技术发现到一个特别感兴趣的小鼠后， 需要详细研究时， 才采取这个技术。XENOGEN公司的IVIS 3D即采用此种技术进行生物发光的三维成像。
1.2 单角度三维成像技术 单角度三维成像技术是相对于多角度扫描技术而命名的，是利用不同波长的光对动物组织的穿透性不同这一特性(例如红光在体内的穿透性远远大于绿光)。采用不同的滤光片在560 － 660nm获得多个(至少二个)波长的图像信息。举个例子：绿光波长较红光波长短，相对更难穿透组织。假设可见光标记的靶点在体外发出的光中，绿光与红光的强度是1:1，若得到的图像中，绿光与红光得到的信号强度接近1:1，则发光信号在体内的位置很浅。 但是若得到的图像中，绿光与红光得到的信号强度为1:4 时，则证实发光信号在组织中所处的位置较深，这是因为绿光的衰减远远大于红光。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，模拟出的三维图像。此技术的关键点是重建算法，常用的重建算法早已应用在地球物理领域，用于地震检测。尽管是通过算法重建估算出靶点深度，但所得数据仍是十分可靠的，其误差可以控制在10% 以内。体内可见光层析成像技术，是由XENOGEN公司自主设计开发的，用于生物发光标记的动物，特别适合动物组织的光学特性。模拟程度和真实解剖获得的数值十分接近，在动物成像领域属于领先地位，暂时无其他方法可达到此水平。测试时其首先使用结构光源(structured light)获得动物表面拓扑图像，得到动物外表的三维成像。之后使用软件控制滤镜组的转动，在560 － 660nm 之间获得不同波长下的图像，如图3 所示，560nm时信号较弱；580nm时有所增加；600nm时信号最强，这是因为较长波长的光在动物体内的穿透性较强。标记的靶点在体内越深，短波长的信号衰减越多，长波长的信号相对衰减较小。两者强度的比例变化同标记靶点在体内的深度直接相关。根据不同波长的光衰减的不同，通过软件计算出靶点信号的深度，再结合表面拓扑图像得到的小动物形状，构建出小动物体内的三维图像。拥有了靶点在动物体内的深度信息，就可以计算出信号在体内的衰减。所以，这种方法得到的图像不仅可以测量图像中任意两点之间的距离，还很好地解决了信号源深度的绝对定量问题。
这种技术的优势在于可以快速、高通量地进行三维成像， 是目前主要的可见光三维成像技术。XENOGEN 公司的IVIS 200 和IVIS Spectrum采用了此种技术进行生物发光的三维成像。
荧光透视成像技术(fluorescence luminescent imagetomography，FLIT ) 又称为穿透性荧光三维成像技术，采用激发光从小动物底部激发，穿透小动物后，使用不同波长的滤光镜从小动物的上部进行光谱采集。这一方式不仅有效地避免了动物皮毛和其他一般组织所产生的非特异性背景荧光对结果的干扰，并且能够得到荧光标记靶点的体内深度信息。进行测量时首先还是利用结构光源(structured light)获得动物拓扑表面图像，之后利用软件选择动
物底部的几个特定点作为穿透性激发光源，使用不同波长的滤光片进行发射光信号的采集。根据不同激发光源位置所得的光谱不同，扩散的大小和方位，以及光强的变化，利用计算机软件对动物模型的模拟结果，确定出信号源在动物体内的深度信息。结合拓扑表面图像，利用软件模拟出小动物体内荧光标记物的三维成像图( 图4) 。目前，只有XENOGEN公司的IVIS Spectrum采用了此种技术进行荧光的三维成像。
2 三维成像结果与动物器官的关系
通过DLIT 和FLIT技术可以获得动物生物发光和荧光的三维成像图，这一结果是基于和拓扑表面图像结合的结果，并没有与动物体内的器官建立相对应的关联。为了能够更准确地定位信号源在体内所在的器官，使用不同断层的病理切片和小鼠不同姿势的CT 图谱，建立了数字化的小鼠器官图。可以将计算好的三维成像图与器官图进行拟合，用以确定信号所在的器官位置(图5)。这种方法的局限在于所有的三维成像图都和相同的数字器官图拟合，仅在动物体表面积上有所变化。随着软件的进一步发展，可以把三维成像图与真实老鼠的CT、MRI 所获得结构性成像叠加，获得特异性更强的结果。XENOGEN 公司的IVIS 200 及IVIS Spectrum采用了此种方法进行三维成像图和器官图的拟合。
3 三维成像在生物学及医药研究领域中的应用二维活体光学成像技术在生物医学中已经得到了广泛的应用，但是信号的强度、准确的定量以及信号源的强深度都无法通过二维成像得到解决。伴随着三维成像技术的发展，困扰科研工作者的难题都将迎刃而解，三维成像技术也将越来越多地应用到广阔的领域中，包括肿瘤微转移研[11]、流体细胞(干细胞、T 细胞、淋巴细胞等)研究[12]、基因表达研究[13]、病毒和细菌的研究[14]、大分子体内分布和运动等方面。
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。在使用二维成像技术时仅能得到简单的信号面积图像和相应的信号强度。在使用三维成像技术后，可以得到转移灶所在的准确深度，与器官相应位置结合后可以确定转移灶的实际方位，使整个研究更具意义。与此同时，由于得到了信号强度的数据，可以据此推算出信号衰减的情况，经过计算后可以得到精确的信号源深度，以此得出确切的肿瘤细胞个数。这一特点可以使得抗肿瘤及抗转移药物的药效评价更加准确。在免疫学研究中，可以通过活体成像技术准确的跟踪目的细胞(干细胞、T 细胞、淋巴细胞等)在体内的运动规律，或者评价应用免疫细胞进行生物治疗后的确切疗效。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。同样也可对标记有报告基因的微生物(如腺病毒，细菌等)进行示踪，了解它们在体内传播的规律以及药物对它们的作用。还可以应用三维成像技术研究体内大分子(如Ig G、各种蛋白分子等)的运动及其相互作用，能够获得比二维成像更多的信息，为很多基础研究提供了良好的事实依据和验证平台。总而言之，随着分子生物学技术的发展和活体成像仪的使用，可见光活体成像技术在肿瘤研究、免疫研究、传染病研究等医药领域将扮演更加重要的角色，可见光三维成像技术作为一种新的成像方法，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]
[1] Blum G, Degenfeld GV, Merchant MJ, et al. Noninvasiveoptical imaging of cysteine protease activity using fluorescently quenched activity-based probes. Nat ChemBiol, 2007, 3(10): 668-77
[2] Lee D, Khaja S, Velasquez-Castano JC, et al. In vivo imagingof hydrogen peroxide with chemiluminescent nanoparticles.Nat Mater, 2007, 6(10): 765-9
[3] Dentin R, Liu Y, Koo SH, et al. Insulin modulates gluconeogenesisby inhibition of the coactivator TORC2. Nature,2007, 449(7160): 366-9
[4] Zhang LM, Lee KC, Bhojani MS, et al. Molecular imaging ofAkt kinase activity. Nat Med, 2007, 13(9): 1114-9
[5] Xue W, Zender L, Miething C, et al. Senescence and tumourclearance is triggered by p53 restoration in murine livercarcinomas. Nature, 2007, 445(7128): 656-60
[6] Wan YY, Flavell RA. Regulatory T-cell functions are subvertedand converted owing to attenuated Foxp3 expression.Nature, 2007, 445(7129): 766-70
[7] Walensky LD, Kung AL, Escher I, et al. Activation ofapoptosis in vivo by a hydrocarbon-stapled BH3 helix. Science, 2004, 305(5689): 1466-70
[8] Negrin RS, Contag CH. In vivo imaging using bioluminescence:a tool for probing graft-versus-host disease. Nat RevImmunol, 2006, 6(6): 484-90
[9] 周 涛,韩 彧,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, 2007, 12(1): 69-74
[10] 张 怡,韩 彧,赵春林. 活体动物体内光学成像技术的研究进展.生命科学, 2006, 18(1): 25-30
[11] Gupta GP, Nguyen DX, Chiang AC, et al. Mediators ofvascular remodelling co-opted for sequential steps in lungmetastasis. Nature, 2007, 446(7137): 765-70
[12] Dierks C, Grbic J, Zirlik K, et al. Essential role of stromallyinduced hedgehog signaling in B-cellmalignancies. Nat Med,2007, 13(9): 944-51
[13] Minn AJ, Gupta GP, Siegel PM, et al. Genes that mediatebreast cancer metastasis to lung. Nature, 2005, 436(7050):518-24
[14] Zhang N, Fang ZX, Contag PR, et al. Tracking angiogenesisinduced by skin wounding and contact hypersensitivity usinga Vegfr2-luciferase transgenic mouse. Blood, 2004, 103(2): 617-26
冷泉港/龙脉得生物技术有限公司 赵春林 供稿
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