想实时控制裸鼠体内肿瘤生长？想知道细胞在小鼠体内定植的位置？想知道药物治疗对肿瘤的效果 体内? 这些可以通过在电池上安装追踪器来实现，让您随时控制电池的位置和数量。 这项技术就是活体成像“检测”技术。那么什么是活体成像技术呢？

1.什么是活体成像技术？
2. 荧光素酶成像的特点
3. 荧光素酶成像的应用方向
4.实验示例分享
5. 常见问题
6. 产品信息
7.关于阅读

1.什么是活体成像技术？

早在1999年，美国哈佛大学Weissleder博士就提出了分子成像的概念，即利用成像手段在细胞和分子水平上对活体生物过程进行定性和定量研究。活体成像是以分子成像为基础的，通过这种成像系统可以在活体动物体内观察到肿瘤的生长和转移、传染病的发展、特定基因的表达等生物过程。

在活体中，活体动物的光学成像主要采用生物发光和荧光两种技术。生物发光是荧光素酶基因来标记细胞或DNA，而荧光技术则是利用绿色荧光蛋白、红色荧光蛋白等荧光报告基因和FITC、Cy5、Cy7等荧光素和量子点（QD）进行标记。哺乳动物的生物发光一般是将萤火虫荧光素酶基因（由554个核苷酸组成，约50KD）即荧光素酶基因整合到预期观察细胞的染色体DNA中，以表达荧光素酶。然后培养出能稳定表达荧光素酶的细胞株，当细胞分裂、分化、转移时，荧光素酶也会持续稳定表达。基因、细胞、活体动物都可以被标记上荧光素酶基因。荧光素酶是一种能催化底物产生生物发光的酶。不同来源的荧光素酶各有特点，能催化底物发出不同颜色的光。其中萤火虫荧光素酶灵敏度高，线性范围宽达7~8个数量级，已成为最常用的哺乳动物细胞报告基因。将荧光素酶报告质粒转入细胞，加入其底物荧光素，孵育细胞，在ATP存在下，O₂、镁离子作用下，荧光素酶能氧化底物荧光素，产生可见光反应，实现“一次‘追踪器’安装，随时追踪、随时检测”。 除了萤火虫荧光素酶外，有时也使用海肾荧光素酶。二者的底物不同，前者的底物为D-荧光素，后者的底物为腔肠素。二者的发光波长不同，前者发出的光波长范围为540-600nm，后者发出的光波长范围为460-540nm。前者发出的光更容易穿过组织，而后者在体内代谢较快，特异性不如前者。因此，目前大多数体内实验并不多采用萤火虫荧光素酶作为报告基因。

图 1.荧光素酶标记细胞的定位

生物发光的光学原理：光在哺乳动物组织中传播时会发生散射和吸收，光子在遇到细胞膜和细胞质时会发生折射，不同类型的细胞和组织对光子的吸收特性也不同。血红蛋白是体内吸收可见光的主要原因，可以吸收大部分蓝绿波段的可见光。但在大于600nm的可见光红光波段，血红蛋白的吸收量很小。因此，大量的光可以穿过组织和皮肤在微红色区域被检测到。利用活体动物生物发光成像技术至少可以检测到几百个皮下细胞。但根据光源在小鼠体内的深度不同，能看到的最低细胞数也有所不同。一般来说，每增加1cm，光强衰减10倍，富含血液的组织器官衰减较多，靠近骨骼的组织器官衰减较少。在深度相同的情况下，检测到的光强与细胞数量有明显的线性关系，可以通过仪器量化检测到的光强来反映细胞的数量。

图2. 荧光素酶与荧光素钾盐反应发光原理

与生物发光不同，荧光技术是利用荧光报告基因或荧光染料（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、荧光蛋白或染料发出的荧光，可以制造出活体生物光源。生物发光是动物体内​​自发荧光，不需要激发光源，而荧光则需要外界激发光源激发，才能被成像系统检测到。荧光标记的应用非常广泛，包括动物、细胞、微生物、抗体、药物、纳米材料等。

2. 荧光素酶成像的特点

◎ 无辐射，对生物几乎无害。

◎ 生物发光无需激发光源。

◎ 灵敏度高，可检测数百个细胞。

◎穿透性好，3-4cm组织深度仍可检测到。

◎ 信噪比高，荧光信号强，抗干扰性好。

3. 荧光素酶成像的应用方向

3.1 肿瘤生长

在裸鼠成瘤实验中，无需侵袭，实时观察肿瘤生长情况，无需剥离肿瘤进行测量。

3.2 肿瘤药物

检测给药对肿瘤生长或转移的影响，荧光素底物可在3小时内消除，不干扰药物实验。

3.3 细胞定位

检测了外来细胞在动物体内的定位和分布。

3.4 基因表达调控

将目的基因或目的基因的启动子与荧光素酶基因融合，检测药物治疗过程中或疾病过程中基因表达的变化。

3.5 干细胞研究

监测干细胞的移植、存活和增殖；追踪干细胞的分布和迁移 体内。

4.实验 例子 分享

图 3. 体内 CAR-MUC1治疗效果的影像学检测 T/CAR-MUC1-IL22 T 细胞对肿瘤形成的影响 小鼠^[1]。

图4. HUC-MSCs细胞注射入小鼠骨骼肌后, 用免疫组织化学法检测细胞的定位 体内 成像（红色箭头标记）^[2]。

图 5. 的能力 体内 成像检测间充质干细胞（MSC）向烧伤部位的迁移。间充质干细胞（MSC/FLuc）被静脉注射到小鼠背部烧伤模型中。注射后四天，烧伤创面受伤部位出现生物发光信号，随后逐渐减弱（红色箭头表示烧伤部位）^[3]。

5. 常见问题

Q1：与传统技术相比，生物发光成像技术有哪些优势？

该技术与传统技术相比，在肿瘤转移、基因治疗、流行病学、干细胞示踪、白血病等相关研究方面比传统方法灵敏度更高，并能通过一系列转基因动物疾病模型，快速直观地研究相关疾病的发病机制及药物筛选。

Q2：如何用荧光素酶基因标记干细胞？

可以将组成性表达的基因进行标记，制成转基因小鼠，并将干细胞进行标记，从小鼠的骨髓中取出造血干细胞，移植到另一只小鼠的骨髓中，利用该技术可以追踪体内造血干细胞的增殖、分化、迁移等情况，另一种方法是用慢病毒对干细胞进行标记。

Q3：注射荧光素后多久进行检测合适，发光可以维持多长时间？

一般腹腔注射后10-15min荧光信号达最强稳定期，20-30min后开始衰减，3h后荧光素消除，发光完全消失。

Q4：如何给小鼠注射荧光素？注射方法有什么区别？

荧光素可用腹腔注射或尾静脉注射的方式注射到小鼠体内，约1分钟即可扩散至小鼠全身，多数情况下荧光素的浓度为150mg/kg，对于20g小鼠，可用荧光素3mg左右。腹腔注射时扩散慢，起始发光慢，持续发光时间长。尾静脉注射荧光素时扩散快，开始发光很快，但发光持续时间短。

6.产品信息

Yeasen 是一家从事分子、蛋白质、细胞三大生物试剂研发、生产和销售的生物技术公司。 Yeasen 如下。

表 1. 产品信息

7.关于阅读

新一代荧光素酶报告基因检测系统——更简便、更灵敏、更精准