光学分子影像学第一讲

光学的相关基础知识

1. 光的电磁波谱

光是一种可以引起视觉、具有波粒二象性的电磁波，既有波动性，又具有粒子性。整个电磁波谱按波长可分一下几段(表1)：

只有波长范围很窄的一段才能引起视觉，称为光(可见光)，其中，红光波长最长，范围为620~760 nm，紫光最短，范围为400~430 nm。

2. 光的传播特性

光在同一均匀介质中是沿直线传播的，而在非均匀介质中传播方向要发生改变。光子在生物组织内的传输过程中，会受到吸收和散射的影响。当与光子频率相关的能量与在组织内过渡态的能量相匹配时，这些光子的能量就被吸收，而总光子的能量就减少了。当光射入到组织的原子上面时会发生散射，这就导致原子的电荷加速并向不同方向放射，因而导致光偏离最初的路线。因此，光波在组织内穿过时，要同时经历吸收和散射，且吸收和散射程度依赖于波长和穿透深度。

3. 荧光

在日常生活中，人们通常广义地把各种微弱的光亮都称为荧光，而不去仔细追究和区分其发光原理。

事实上，荧光是指这样一种发光，当一个分子或原子吸收了给予的能量后，即刻引起发光，停止能量供给，发光亦瞬间停止(持续10-8~10-7s)。所以，当一定波长的光照射到荧光物质上时，会激发出波长更长的荧光，产生的荧光波长要比激发光波长长50~150 nm。而用特定波长的红光激发荧光染料，就可使其发出波长长于激发光的近红外荧光。如果把荧光分子与人体内与生理功能有关的蛋白或生物大分子结合，在体外激发荧光，并检测荧光信号，就能对人体进行分子水平的研究，这种荧光分子被称作荧光探针(Fluorescent Probe)，其基因为荧光分子基因，也就是光学分子成像的报告基因。为了能在体检测人体组织内的信息，荧光必须能穿透几厘米以上厚的组织。但是，光波在生物组织内传输时会同时受到吸收和散射的影响而产生衰减，因此有些学者对波长在近红外区域内的荧光更感兴趣，因为人体对近红外波段的光衰减最小，这样达到体表可被检测到的荧光信号强度较大，检测的难度降低，有利于定量研究。

二光学分子成像原理

光学分子成像是在基因组学、蛋白质组学和现代光学成像技术的基础上发展起来的新兴研究领域。

传统的光学成像方法依托于可见光成像，如内镜成像技术。内镜(胃镜、肠镜等)成像技术是利用具有韧性的导管通过人工切口或天然的开口进入体内进行检查，简便、易行，但只能观察到内部结构的表面部分，而且光线在穿透组织的过程中，会在组织的表面发生广泛的

反射和散射现象，导致处在阴影部分的结构模糊不清，不能识别。

新型的光学分子成像技术则依托于非可见光成像，通过向体内引入荧光物质或基因可以检测到在组织表面之下一定范围内的区域，使显像深度更进一步。

光在哺乳动物组织内传播时会被散射和吸收，光子遇到细胞膜和细胞质时会发生折射现象，而且不同类型的细胞和组织吸收光子的特性并不一样。在偏红光区域，大量的光可以穿过组织和皮肤而被检测到。光学分子成像就是基于对穿过生物组织的光子的光学信息(强度、光谱、寿命、偏振)探测的基础上，通过引入合适的荧光探针，用特定波长的红光激发荧光染料，使其发出荧光，或通过引入某些报告基因，其表达产物可自发产生荧光，而出射光中携带着与吸收和散射相关的组织生化信息，通过光学成像设备可以检测发射出的荧光并充分挖掘和利用这些光学信息定量的研究荧光分子的分布，从而直接记录和显示分子事件及其动力学过程，这就是光学分子成像的基本原理。

目前，活体动物体内光学成像(Optical in vivo Imaging)主要采用生物发光BLT(Bioluminescence)与荧光(Fluorescence moleculor FMT)两种技术。

生物发光是用荧光素酶基因标记细胞或DNA。目前应用较多的报告基因是萤火虫荧光素酶(Firefly Luciferase)基因，其基因表达产物萤火虫素酶可以和从体外导入的萤火虫素(Luciferin)发生反应而发出近红外荧光，并可被CCD相机捕获。

荧光技术则采用荧光报告基团(如GFP、RFP 、dyes、Cyt等)标记细胞或DNA。目前应用较多的报告基因是绿色荧光蛋白(Green Fluorescent Protein，GFP)基因，其表达后产生的绿色荧光蛋白，在体外激发光激发下发出荧光，也可被CCD相机捕获。

近红外荧光成像不涉及报告基因，它的成像探针包括非特异性荧光探针(如dyes)和特异性荧光探针(如Cyt)。近红外荧光成像就是以合适的荧光探针作为标记物，用特定波长的红光激发荧光染料，使其发出波长长于激发光的近红外荧光，应用近红外线光学成像设备进行检测。该技术在肿瘤检测、基因表达、蛋白质分子检测和药物受体定位等方面有着很大的应用潜力。

目前应用于近红外线光学成像的设备很多，包括光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，OCT)、激光斑点成像(Laser Speckle Imaging)、偏振光成像(Polariza-tion Imaging)、反射荧光成像(Fluorescence Reflectance Imaging，FRI)、弥散光成像(Diffuse Op-tical Tomography，DOT)、荧光共振成像(Fluorescence Resonance Imaging)、荧光介导的分子断层成像(Fluorescence Molecular Tomog-raphy，FMT)等。

三光学分子成像的应用范畴

光学分子成像作为近年来新兴的活体动物光学成像技术，以其操作简便及直观性成为研究小动物活体成像的一种理想方法，在生命科学研究中得以不断发展。利用这种成像技术，可以直接、实时地观察标记的基因、分子及细胞在活体动物体内的活动及反应。通过光学分子成像，利用灵敏的光学检测仪器，可以直接检测活体生物体内的动态代谢过程，探测蛋白酶、蛋白质和酶的活动，探测活体生物体内的细胞活动和基因行为。通过这些技术，还可以观测活体动物体内肿瘤的生长及转移、疾病的发生发展、特定基因的表达等生物学过程。利用光学标记的转基因动物模型可以研究疾病的发生发展过程，以及药物的研究及筛选等。

随着光学分子成像技术的发展，近红外检测的深度已从体表(如皮肤)发展到浅层组织(如肌肉、脂肪、口腔、新生儿脑组织)、深层组织(成人脑组织、心脏、骨路)，甚至到整个人体(如胸腔)，为光学分子成像进入临床应用提供了可能。临床前实验研究已经证实：肿瘤组织发出的近红外荧光可以穿透12 cm的乳腺组织或肺组织、6 cm的肌肉组织、5 cm的成人脑组织。检测结果从单纯的数据(或数据曲线)表示到由二维甚至三维图像表示。