分子影像学与分子影像技术第一讲小动物在体成像与分子影像

分子影像学与分子影像技术 第一讲 小动物在体成像与分子影像
中科院自动化所医学影像研究室
主要内容 一、医学影像技术与分子影像 二、小动物在体成像 三、小动物在体成像仿真平台 四、总结
医学影像技术的发展 „ 结构成像
„ X-ray „ CT 成像 „ MRI成像 „ 超声成像
„ 功能成像
„ fMRI 功能核磁共振成像 „ PET正电子断层成像 „ SPECT单光子发射断层成像
„ 分子影像
„ 光学成像 „ 磁共振波谱成像 „ 核素成像
19--20世纪 看到病变
■ 结构成像 ▪ X-ray ▪ MRI成像 ▪ CT 成像 ▪ 超声成像
20世纪90年代 看到功能
■ 功能成像 ▪ fMRI 功能核磁共振成像 ▪ PET正电子断层成像 ▪ SPECT单光子发射断层成像
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21世纪以来 看到细胞、分子水平的变化
■ 分子成像 ▪ 光学成像 ▪ 核磁共振成像 ▪ 核素成像
实时、在体 特异性
医学影像技术 信息技术
分子影像学
分子影像技术可以在 细胞、基因和分子水 平上实现生物体内部 生理或病理过程的无 创实时动态在体成像 ，从而为疾病病程的 在体监测、基因治疗 的在体示踪、药物在 体疗效评测、功能分 子的在体活动规律研 究提供了新的技术平 台。
分子生物学
分子影像学
临床医学
化学
物理学
新兴交叉学科
国内外研究现状和发展趋势
„
分子影像学面临的挑战性问题
„ „ „
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2002年，Science的十大突破之一：基于成像测量（包括 光学成像）的分子与细胞事件动力学过程的可视化研究 近年来，Nature杂志刊载了分子影像学方面的系列文章 2002年，美国国立卫生研究院路线图NIH Roadmap 2000-2002年，美国国家科学基金委NSF发布了四次 Biophotonics Partnership Initiative （生物光子学合作伙伴 计划）招标指南 2002年10月我国召开了以分子影像为议题的香山会议
分子探针技术 成像技术 数据分析与处理（信息技术）
分子探针技术 数据分析与处理 成像技术
分子探针和靶分子
分子探针 从体外注入到体内的分子参与体内生理活 动，并且探查人体内部的某种特定分子，因 此称为分子探针。 生物大分子 „ 靶分子 体内某种特定的分子，是需要探查和成像 的分子，称为靶分子。
„ „
分子探针的特点
纯度高，不含杂质； „ 对人体无害，没有副作用； „ 具有良好的生理功能，能参与人体正常的 生理活动； „ 能够克服人体内部的“生理屏障”，顺利到达 靶分子所在的器官； „ 示踪剂、分子探针和靶分子应该紧密结 合，不能脱落。
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标记分子（示踪剂）的特点
示踪剂的类型 根据探测装置的不同可分为：放射性核素 标记和光学标记等。 „ 能够牢固标记在分子探针上； „ 发射出的射线应该具有合适的能量，被生 物组织外的探测器接收到； „ 示踪剂随生物体的生理活动而发生能量的 衰减，其周期要适于探测器的探测。
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分子影像设备
按探测方式的不同，分子影像设备可以分为 以下三种： „ 核素成像 PET（正电子发射成像） SPECT（单光子发射断层成像） „ 光学成像 „ 磁共振波谱成像（功能性核磁共振成像）
成像方法的对比
使用方便 Easy to Use
Ultrasound Optical Imaging
成像方法的对比
CT Complicated
MRI
PET/SPET
使用复杂 看到结构 Physical Structure 看到功能 看到分子水平的影像 Functional Imaging
成像方法的对比(续)
„
光学成像技术的特点
评价成像技术的重要参数
¾对比度及其产生机制 ¾时间分辨率 ¾空间分辨率 ¾测量范围 ¾对被测对象的友好性与价格
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光学成像技术的特点(续)
„
主要内容
„ „ „ „
在肿瘤和良性/正常疾患之间有高的软组织 对比度。成像对比度直接与生物分子相 关，适于重要疾病的基因表达、生理过程 的在体成像 高时间/空间分辨率 对分子和细胞层次的在体成像有较大优势 价格适中 尽管其测量范围与测量深度有限，但适于 小鼠或其它小动物的整体在体成像
一、分子影像 二、小动物在体成像 三、小动物在体成像仿真平台 四、总结
小动物在体成像—简介
MRI
唯一能真正检测动物体内发光的方法
波长10-13 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 (m)
频率1022 1021 1020 1019
1018
1017
1016 1015
1014
1013
1012
1011
1010
109
108 (hz)
Autoradiography SPECT PET
CT/X-Ray
Bioluminescence
Fluorescence
小动物在体成像—简介（续）
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通常采用生物发光物质 如：萤火虫的荧光素酶或 荧光蛋白质等的细胞活体 成像技术，它可以很好地 实现生物体的活体研究及 基因表达 通过研究光在生物组织中 的传播模型证明：如果生 物体内发光细胞的数目有 几百个，便能探测到皮下 组织；如果有106个发光细 胞，就可以探测到2cm深度 的组织。
将发光基因转移到细胞染色体 内使发光酶能持续得到表达
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小动物在体成像—简介（续）
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小动物在体成像—系统模型
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通常用的光线探测装 Mirror 置是光电倍增器和 CCD（电荷耦合装 Projector 置）。 对小老鼠等实验小动 物进行发光细胞的追 Mirror 踪研究，在许多研究 领域，如：制药学、 转基因表达、传染病 的活体监测、肿瘤的 扩散与转移等，有重 Structured light 要的实践意义和应用 Projection cone 前景。
在体光学成像系统可以探测动物体内部发射出的近红外光
小动物在体成像—实例
小动物在体成像—实例
生物发光成像用于追踪肿瘤发育和转移性疾病的进行。图为 乳腺癌细胞注射到小鼠尾静脉后14周后的图像。肺和身体下 部器官发生了转移。这些肿瘤很小，其他手段无法探测到。
a）在可见光范围内（400-600nm），荧光成像可探测到绿色荧光蛋白 GFP在右侧肿瘤有表达，在左侧肿瘤没有表达 b）用光子计数照相机，对荧光素腹膜内注射后双边胸腔肿瘤表达转基因 的荧光素酶进行成像。左侧肿瘤相对于右侧表达的荧光素酶水平较高， 分别为红、蓝显示 c）近红外NIR荧光成像（700-900nm）可对更深的肿瘤进行成像。双侧 植入乳腺癌细胞后，金属蛋白酶2的表达
小动物在体成像—实例
主要内容
一、分子影像 二、小动物在体成像 三、小动物在体成像仿真平台
A）白光图像 B）原始的近红外荧光图像，途中亮点为胸腔内的肿瘤 C）胸腔壁肿瘤2mm高分辨率的荧光图像 D）腿部肿瘤（<0.3mm）的高分辨率荧光图像
四、总结
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