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活体成像
最新活体成像技术使所有分子一览无余
材料来源:激光世界           录入时间:2010-8-9 17:31:36

光学分子成像(OMI)结合了不同的光学成像技术和不同的分子增强方法,有望在医学领域带来革命性的突破。

作者:Gail Overton

 来自市场调研公司Strategies Unlimited的预测显示,到2014年,活体光学分子成像市场将达到4亿美元,到2020年底将达到10亿美元。目前,许多公司已经将光学分子成像技术从实验室带到了临床应用中,希望该技术能在疾病的诊断、治疗及治愈方面引领新的革命。

 OMI的定义:使老鼠发光

光学分子成像(OMI)可以笼统地定义为分子水平上的可视化化学过程。一般来讲,用于获取视觉图像的工具就是一个低成本的光学显微镜或一个简单的成像装置。化学诱导荧光探针或分子内的其他“可视”特征用于实时成像观测,图像可以被来自其他成像方式的数据合并或覆盖。还有其他OMI方法单独使用光谱特征,以在众多分子中区别出某些特定分子,这种技术称为“无标记”成像。

 荧光蛋白,例如绿色荧光蛋白(GFP,最初从水母和克隆中获取)和生物荧光(如取自萤火虫的蛋白质)都是非常有用的研究工具,它们能够用于更好地理解活体细胞和组织中的蛋白质与酶的相互作用以及退化机制。染料可以连接到特定的抗体、多肽或特定目标细胞的小分子。活性探针可以植入到与转移过程相关的酶中,发出荧光信号。此外,在肿瘤细胞中可以植入荧光蛋白质,使细胞内部流程可以被实时监测。

荧光团和基因处理这两种技术有其各自的支持者和反对者。 “如果你染头发,你要重复这个过程,因为新长出来的头发不包含染料。但基因是永远的:您可以把GFP链接到其他蛋白质或基因上以控制细胞分裂、新陈代谢或呈现头发的颜色,该基因可以在动物体内存活一生。”美国AntiCancer公司首席执行官Robert Hoffman说,“我们甚至还开发了一种具有绿色毛发的老鼠,未来我们还可以对人类的头发进行基因处理以呈现出各种颜色。”

AntiCancer公司是开发小型动物荧光成像技术的先驱,也是第一家将GFP用于活体小型动物成像(见图1)的公司。[1] AntiCancer公司目前在市场上销售肿瘤转移老鼠模型MetaMouse——这是天生具有免疫缺陷的裸鼠,其体内包含一些GFP呈现或其他有色蛋白呈现的人体肿瘤细胞,用于活体功能成像。“当然,MetaMouse更大的优势是:人们仅需要使用廉价的激励光源和光学滤波器,就能够对这些会发光的老鼠成像。因此OMI技术最大的优势就是其能够被研究人员广泛使用。”Hoffman说道。

  

图1:裸鼠通过基因改造,可以在目标组织或整个身体中表现出红色、绿色或蓝色的荧光蛋白质。

 虽然目前基因工程药物(如GFP)尚未获得美国食品药品管理局(FDA)的批准,但是FDA已经批准可以在人体临床试验中使用吲哚青绿(ICG)这种惰性染料。“一旦一个动物体变得发光,GFP就对研究一种疾病的发展情况极其重要;然而您并不希望改变患者的基因,相反,您想要找到已经存在的疾病。”Spectros公司首席执行官David Benaron(他是与OMI相关的几个初创公司的创始人之一)说,“现在,OMI刚刚开始从实验室走向临床,这是很好的发展机会。用于检测某种疾病的荧光团,可以在人体内部聚集并发出报告,从而告诉临床医生病人是否患有这种疾病,以及疾病位于哪里。”Benaron补充说。

OMI的特征

“光的穿透深度仍然是将OMI技术应用于人体的主要障碍。在人体中进行活体成像研究,目前光在人体组织中的穿透深度尚不能超过5~6cm。”美国Carestream Health公司全球活体成像产品经理Seth Gammon博士说,“但是OMI技术仍在不断发展中。总之,OMI技术是当今最快的疾病诊断和治疗方法,与其他侵入式或放射性技术相比,这种方法在研究中使用的老鼠最少。”

 Gammon解释说,使用导管或内窥镜探头可以使OMI技术的诊断与手术能力适用于人类。例如,能够报告组织氧化的荧光探针,能将活体组织与死去的组织区分开来,从而达到指导外科手术的目的。AntiCancer公司展示了含有GFP的腺病毒,其可以标记在老鼠体内成长的人类肿瘤,进而实现荧光引导手术。[2]

 Carestream Health公司(原柯达医疗集团)推出了多光谱荧光活体成像系统——Kodak In-Vivo Multispectral Imaging System FX,其能在一个具有400万像素分辨率、20cm×20cm的单一视场中,实现可视化反射成像、多波长荧光成像、放射性同位素成像和x光成像,同时还能提供分子和结构信息(见图2)。通过光谱解调,该系统能够从其175W的氙灯光源发出的390~770nm谱线中,过滤出29种波长。

 

图2:老鼠被注射了两种不同的近红外(NIR)染料。从一种染料中发出的信号被分配一个绿色代码或查找表(LUT),从另外一种染料中发出的信号被分配一个红色查找表。对该老鼠进行X光成像,用于确定两种染料的位置,同时记录研究过程中的老鼠解剖信息。

目前,所有的OMI系统制造商都在努力减少自发荧光带来的影响。“我们的皮肤和组织有许多不同的发色团可以自发发出荧光。当我们面向细胞层工作时,这种背景荧光在体外并不造成影响,但其在体内的累积效应是显著的。”Gammon说,“通过分析光谱激发标记的形状以及从无标记动物图像中去除这些标记,我们的成像系统降低了自发荧光带来的影响。”

3D显示诊断

VisEn Medical公司能够提供超过35种独特的活体荧光染色剂,其在特殊成像方面也有着更进一步的研究。“在生物组织中光子会发生自发散射,在目标表面引发一个传统的2D信号,以致于会失去真正目标发出的真正的荧光信号。”VisEn公司市场营销高级副总裁Rob Sandler说,“FMT平台使用激光从一侧的多个位置透照目标,同时用照相机在另一侧收集激光和染色剂发出的荧光信息。然后通过建模计算光传输,获取足够的深度信息,进而计算确切位置和3D空间中该目标的荧光浓度。在很多要求能够清晰监控的深度解剖研究中,比如原位肿瘤转移,这种能力尤为重要(见图3)。呼吸系统疾病,如慢性阻塞性肺病(COPD),也体现在深解剖目标上。FTM可以很容易地可视化和量化活体组织中的呼吸体标记物。”

图3:IntegriSense和ProSense这两种荧光染色剂定量地显示在活体3D图中。使用FMT 2500 LX定量成像系统,显示出老鼠体内的肿瘤已转移到肺部。

 美国Caliper Life Science公司的成像市场营销总监Stephen Oldfield 已经看到了OMI技术为疾病诊治和药物研发带来的好处。“Caliper Life Science公司在前临床OMI市场占据主导份额,并将继续发展在诸如3D成像和定量方面的技术。” Stephen Oldfield说,“截至到2010年3月中旬,在行业出版物中,涉及Caliper Life Science公司IVIS系统的文章已经达到1433篇。”IVIS系统使用荧光蛋白或生物发光材料来揭示生物学过程,比如基因表达、肿瘤生长、感染传播或循环功能,甚至敏感到足以对放射性示踪剂(特别是那些用于临床分子成像中的放射性示踪剂)发出的光成像。[3]

IVIS Spectrum系统使用激光生成老鼠的一个3D表面图,并使用一个经过过滤的白光源,用于激发荧光因而可以提供广泛的波长选择。使用透射照明,荧光蛋白(如tdTomato)可以很容易地在前列腺等深部组织成像。使用光谱解调,用长波长染料如CF750标记的抗体(如trastuzumab)可以在细胞表面成像和量化。基因表达可以很容易地用生物荧光材料监控,因而在转基因动物中,可以同时监测新血管和肿瘤的发展情况。IVIS Lumina XR可以通过荧光探针研究类风湿关节炎,并利用X光图像进行定位。

 使用IVIS层析成像技术,可以对荧光和生物发光信号进行3D成像,其3D图可以与其他图形特征相关联。所有的IVIS系统均使用零下90°C冷却CCD成像,以及可选的光学滤波器用于光谱解调。冷却的CCD降低了暗电流噪声,能实现最高的信噪比,这使得IVIS可以检测到老鼠皮肤下的单一细胞。

在荧光成像方面有着20年经验的美国CRi公司,将多光谱动态成像引入了OMI领域。CRi公司的Maestro多光谱系统可以很轻松地从荧光信号中消除皮肤组织的自发荧光,并且集成了一个液晶可调谐滤波器,该滤波器相当于200个带通光滤波器,能够区分动物体中不同的荧光剂发出的信号。CRi公司的动态对比增强(DyCE)技术,结合了快速成像(高达15帧/秒的单色图或10帧/秒的多光谱图)与先进的数据处理方法,可以测定图像中每个像素中荧光团的强度变化率。利用这些数据,可以在更短的时间内(数分钟或数小时)获得具有更高对比度的累积荧光团图像(见图4)。

 

图4:对老鼠尾巴静脉注射ICG后,通过分析随时间变化的单色图(每秒10帧,持续2分钟)获得了动态对比增强(DyCE)图像。这些图片仅使用了一种染色剂,不同的颜色代表ICG通过老鼠的各个器官和身体不同部位的时间。

 小结

LI-COR生物科技公司也利用OMI技术诊断疾病。LI-COR公司的Pearl Impulse Imager成像仪,已经使用基于其近红外染料IRDye 800CW的不同的荧光剂,用于诊断肿瘤组织、疾病转移、脉管系统、淋巴结构以及新陈代谢活动。[4][5] “LI-COR公司对近红外技术的研究可能要早于很多公司,最早能追溯到1971年。”LI-COR公司生物科技副总裁Michael Olive说道。最近OMI技术开始获得发展,主要源于以下点:(1)近红外荧光剂和其他荧光剂的供应;(2)可利用的、具有波长选择性的低成本宽带激光源与探测器的发展;(3)器件尺寸的减小使仪器更加便携。Olive 表示:“LI-COR公司的Pearl Impulse Imager成像仪使用起来非常简单,几乎是开箱即用。所有这些有利因素结合在一起,终将汇成一股‘完美风暴’,使2010年成为光学分子成像蓬勃发展的一年。”

参考文献

1.         T. Chishima et al., Cancer Research 57, pp. 2042–2047 (May 15, 1997).

2.         H. Kishimoto et al., Proc. Nat'l. Acad. Sciences (PNAS) 106, 34, pp.14514–14517 (Aug. 25, 2009).

3.         H. Liu et al., "Molecular Optical Imaging with Radioactive Probes," Online access journal from the Public Library of Science, PLoS ONE 5, 3, e9470 (Mar. 1, 2010).

4.         J. Kovar et al., American J. Pathol. 169, pp. 1415–1426 (2006).

5.         J. Kovar et al., Analytical Biochem. 384, pp. 254–262 (2009).


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