活细胞成像ppt
2024版细胞生物学全套ppt课件完整版
细胞死亡的方式及生物学意义
01
细胞死亡的方式
凋亡（程序性死亡）、坏死（意外死亡）和自噬性死亡等。
02
细胞死亡的生物学意义
维持机体内环境稳定、参与组织修复和再生、抵御病原体感染和防止肿
瘤发生等。
03
细胞死亡与疾病的关系
细胞死亡异常可导致多种疾病的发生，如神经退行性疾病、心血管疾病
和肿瘤等。
07
细胞生物学的实验技术与方法
指同一来源的细胞逐渐产生出形态结构、功能特征各不相同的细 胞类群的过程。
细胞分化的特点
持久性、稳定性和不可逆性。
细胞分化的机制
基因选择性表达的结果，受多种因素影响，如遗传物质、环境因 素和细胞间的相互作用等。
干细胞与再生医学
1 2 3
干细胞的定义 具有自我更新能力和多向分化潜能的细胞。
干细胞的分类 按来源可分为胚胎干细胞和成体干细胞；按分化 潜能可分为全能干细胞、多能干细胞和单能干细 胞。
显微镜技术与细胞形态观察
光学显微镜
利用可见光和光学透镜成像，可观察细胞及细胞 器的形态和结构。
电子显微镜
利用电子束成像，能够观察细胞的超微结构，分 辨率更高。
激光共聚焦显微镜
结合荧光标记技术，可观察活细胞内分子的动态 变化。
细胞培养与细胞工程
细胞培养技术
在人工模拟体内环境的条件下，培养细胞并维持其生长和繁殖。
中心法则的内容及意义 转录和翻译的过程及调控机制
DNA复制的过程与特点 基因表达的时空特异性与细胞分化
基因突变与修复
01
基因突变的类 型及后果
02
DNA损伤的修 复机制与意义
基因突变与生 物进化的关系
03
活细胞成像技术的使用教程
活细胞成像技术的使用教程活细胞成像技术是一种能够观察和记录活细胞在活体条件下的实时动态的图像技术。
这种技术在生物医学研究、药物发现、细胞生物学和生物工程领域得到了广泛应用。
本文将介绍活细胞成像技术的基本原理、常用的成像方法和实验步骤，以及一些常见的应用案例。
一、基本原理活细胞成像技术基于显微镜成像原理，通过将活细胞标记或转染成荧光染料、标签蛋白或荧光蛋白，利用显微镜观察和记录这些标记物的荧光信号。
荧光信号可以直接显微镜观察或使用专门的成像设备进行采集和记录。
活细胞成像技术依赖于荧光标记物的特异性和稳定性。
常用的荧光染料或标签包括荧光染料，如荧光素、达菲红和荧光素酮；标签蛋白，如绿色荧光蛋白（GFP）、红色荧光蛋白（RFP）和黄色荧光蛋白（YFP）等。
这些荧光标记物会与特定的生物分子结合，如细胞器、蛋白质、DNA或RNA等。
荧光标记物与目标结合后，通过激发荧光染料吸收光，产生特定波长的荧光信号。
这些信号可以通过荧光显微镜进行实时观察和记录。
二、常用成像方法1. 荧光显微镜荧光显微镜是观察荧光信号的主要工具。
它包括激发光源、滤光片、物镜、荧光探测器和成像系统。
激发光源选择合适波长的激光或白炽灯，滤光片选择对目标荧光信号具有高透射率的滤光片，以减少背景干扰。
荧光探测器可以选择光电倍增管或CCD相机等，用于接收和记录荧光信号。
成像系统可以是显微镜附件或独立的荧光成像仪。
2. 皮肤窗准备法皮肤窗准备法是一种常用的动物模型实验方法，可以观察和记录活细胞在活体动物皮肤上的实时图像。
在这种方法中，通过手术将活体动物的皮肤上形成一个窗口，并标记活细胞，然后使用荧光显微镜观察和记录细胞的活动和变化。
这种方法可用于研究细胞迁移、细胞分裂、血管生成等生物过程。
三、实验步骤1. 准备样品根据实验需要选择合适的细胞系，培养到合适的生长状态。
根据实验目的选择适当的荧光标记物或标签蛋白，将其转染到细胞中。
确保标记物与目标分子结合后的效果和细胞生理状态正常。
生物医学光学第四组-活体成像技术课件
05
CATALOGUE
活体成像技术的应用案例
肿瘤研究
肿瘤标记物检测
利用活体成像技术检测肿瘤细胞表面或内部的标记物，实现肿瘤 的早期发现和定位。
肿瘤生长与扩散监测
通过定期对同一只动物进行成像，观察肿瘤的生长、转移和扩散 情况，评估治疗效果。
药物疗效评估
通过比较治疗前后肿瘤的大小、形态和荧光强度等指标，评估药 物治疗的效果。
02
药物代谢与分布研 究
研究药物在体内的代谢过程、分 布情况以及与靶点的结合情况， 为新药研发提供依据。
03
毒理学研究
通过观察药物对生物体的毒性作 用和损伤情况，评估药物的毒性 和安全性。
生物医学工程与再生医学研究
组织工程与再生医学
利用活体成像技术观察组织工程材料在体内的降解和再生过程，为 组织工程和再生医学研究提供支持。
未来活体成像技术将进一步提高灵敏度和 分辨率，以便更准确地检测和诊断疾病。
通过改进技术和设备，降低活体成像技术 的成本和时间成本，使其更具有实际应用 价值。
拓展应用范围
与其他技术的结合
未来活体成像技术的应用范围将进一步拓 展，不仅局限于医学领域，还将应用于生 物学、农业等领域。
未来活体成像技术将与其他技术如基因测 序、蛋白质组学等相结合，形成更为综合 的生物医学检测和分析方法。
活体成像技术可以实时监测生 物体内的情况，有助于及时发
现和诊断疾病。
无创无损
活体成像技术通常不需要侵入 生物体内，因此对生物体无创
伤、无损害。
高灵敏度
活体成像技术具有高灵敏度， 可以检测到生物体内微小的变
化。
可视化效果
活体成像技术可以将生物体内 的变化以图像的形式直观地展 现出来，便于观察和理解。
生物工程知识：活细胞成像——揭秘生物活动的前沿技术
生物工程知识：活细胞成像——揭秘生物活动的前沿技术生物工程是应用工程学和生命科学的交叉学科，通过利用生命科学基础和现代物理学、化学、计算机科学及工程学等交叉领域技术，为人类和社会服务，提高生物资源的利用价值和质量，在医学诊断、疫苗研究、基因治疗和食品安全等领域发挥着重要作用。
其中，活细胞成像技术作为揭示生物体内生物活动的前沿技术之一，越来越受到关注。
活细胞成像技术是一种能够在生物学特定条件下，利用显微镜观察活的细胞内的生物行为的技术。
它可以帮助科学家深入研究生物学的各个方面，如细胞运动、细胞形态变化、蛋白质定位、分子交互作用等，从而揭示生物学的奥秘。
活细胞成像技术最常用的显微镜是荧光显微镜。
荧光分子通过激发后产生荧光，并将信号传递给探测器，探测器对信号进行放大并通过计算机转化成显微镜成像。
这样，科学家就可以通过显微镜观察到细胞内部的生物活动情况。
然而，荧光显微镜并不是万能的。
荧光分子具有光反应性，使用不当可能会导致荧光分子的破坏或探测器的损坏。
此外，荧光显微镜只能观察到特定荧光分子而不能同时观察多个分子，因此在比较复杂的生物系统中使用其效果不佳。
为了解决这些问题，科学家们提出了多种改进荧光显微镜的方案。
这些方案包括单分子显微镜、共聚焦显微镜、双光子显微镜等等。
它们的出现，大大提高了显微镜的分辨率，提高了观察的灵敏度，扩大了可观察范围。
近年来，科学家们利用与生俱来的非天然材料或基于生物合成的新材料设计和制造高级光学成像探测器，并与活细胞成像技术紧密结合，进一步提高了活细胞成像技术的分辨率和探测灵敏度。
例如，科学家们利用多肽的天然组装特性开发了一种新型光学材料QDots，它当中间子束在QDots表面周围传播时会大幅增强荧光响应，使荧光显微镜分辨率提高至單細胞水平。
值得一提的是，人们已经开始利用机器学习等人工智能技术，对活细胞成像数据进行大规模分析。
通过对大量数据的分析，科学家们可以更加全面地了解细胞内部的复杂的生物过程，并给予新的发现和理解。
活细胞成像技术的研究进展
活细胞成像技术的研究进展随着生物医学领域的不断发展，活细胞成像技术也得到了越来越高的重视。
活细胞成像技术是指对活体细胞进行非侵入式照射和成像，能够在时间和空间上动态、实时地观测和探究细胞内发生的生物学过程。
活细胞成像技术有着广泛的研究应用，包括研究细胞信号传导、调控及细胞生存等方面。
本文将重点介绍活细胞成像技术的研究进展。
一、荧光探针在活细胞成像中的应用荧光探针在活细胞成像技术中有着重要的应用价值。
荧光探针通过与目标分子的结合或反应，使其产生特定的荧光信号。
目前已经开发出许多荧光探针，例如钙离子探针、酸碱度探针、氧气传感器等，这些探针已经被广泛地应用在生物医学领域中，尤其是动态时间维度下细胞和分子的研究。
荧光探针可通过荧光蛋白和非蛋白两种类型的探针来进行成像。
其中，荧光蛋白是一类天然的蛋白质，在自然界中广泛存在，常用的有绿色荧光蛋白（GFP）、红色荧光蛋白（RFP）和黄色荧光蛋白（YFP）。
荧光蛋白可以通过基因工程技术在细胞内进行表达，利用它们的荧光特性进行活细胞成像和分析。
荧光蛋白研究也被用于红外线成像、量子点荧光成像和细胞荧光成像。
二、成像技术发展的趋势活细胞成像技术目前还面临着一些技术难点和瓶颈，例如空间分辨率的提升、分子探针的优化和成像深度的增加等。
因此，未来的研究方向也需将重点放在这些方面。
具体来说，未来的成像技术需要实现更高的分辨率，以便观察更小的生物分子；需要更好的控制成像方式，以便用足够的时间段来观察大量分子；需要更好的对细胞表型、代谢、生理和病理状态进行研究；需要构建更加智能和自适应的成像系统，以捕捉实时反应。
三、成像技术的应用活细胞成像技术的应用已经得到了广泛的推广。
例如，在癌症治疗方面，活细胞成像技术可以实时监控肿瘤细胞的逃逸路线、分化状态、代谢果断，并选择最佳的药物化疗方案。
在神经科学领域，它可以研究神经元的连接和活动，揭示神经网络中分子机制的形成，并推动意识研究、神经创伤治疗和神经退行性疾病的诊断和治疗等。
活体生物发光成像技术PPT演示幻灯片
female.; 5×106 /200 μlPBS; n=3; 150 μl /只(30 mg/ml), i.p.,
10-25 min 后活体成像;Q3D, 4 w。
➢原位成瘤及转移观察：S.C. mice will be euthanized and
collected tumor on D26; i.v. mice will be euthanized and
标记原理
➢ 氧化反应：Fluc基因整合到细胞染色体DNA上以表达荧光 素酶，当 外源（腹腔或静脉注射）给予其底物荧光素 (luciferin)，即可在几分钟内产生发光现象。
➢ 反应条件：ATP, O2。 ➢ 光的强度与标记细胞的数目线性相关。 ➢ 分子生物学克隆技术：基因插入——单克隆细胞筛选——
稳定表达细胞株。
collected lung, brain, heart, liver and ovaries on D30. HE
staining.
4
实验过程
结果1：裸鼠皮下移植瘤模型的建立
5
实验过程
结果2：SCID鼠静脉移植瘤模型的建立
6
实验过程
结果3： A549及A549-luc细胞原位成瘤及转移 能力的病理形态学观察
皮下瘤HE(20×)
7
实验过程
结果3： A549及A549-luc细胞原位成瘤及转移 能力的病理形态学观察
尾静脉接种模型脏器HE(20×)
8
谢谢
9
பைடு நூலகம்
光学原理
➢ 检测波长范围：400-950 nm荧光 ➢ 最少可检测到皮下500个细胞 ➢ 相同深度检测到发光强度和细胞的数量有较好的线性关
系
3
实验过程
细胞生物学中的活细胞成像技术
细胞生物学中的活细胞成像技术细胞生物学研究的是生命的基本单位——细胞，了解细胞的结构和功能，揭示细胞生命活动的规律和本质，是生命科学研究的重要组成部分。
活细胞成像技术是细胞生物学中的一种重要技术手段，它可以帮助研究人员观察细胞在生命过程中的动态变化，从而更加深入地了解细胞的生命活动。
一、什么是活细胞成像技术活细胞成像技术是利用先进的显微镜、成像设备和工具，观察活细胞生命周期中的各个阶段和生命过程的手段。
与传统的细胞成像技术相比，活细胞成像技术可以直接观察到细胞在活体组织中的情况，而传统的成像技术只能在被杀死的细胞或组织中观察细胞结构和功能，缺乏动态观察的能力。
二、活细胞成像技术的应用活细胞成像技术在生命科学领域中应用广泛，包括细胞信号转导、细胞运动和细胞凋亡等。
其中比较典型的应用领域有细胞分裂和胚胎发育的研究。
1. 细胞分裂细胞分裂是细胞生命周期中最重要的过程之一，也是生命的物质遗传基础。
通过活细胞成像技术，研究人员可以直接观察到细胞分裂过程中的各个过程，如染色体的准备、纺锤体的形成、核分裂和细胞质分裂等阶段，从而更好地了解细胞分裂的本质。
2. 胚胎发育胚胎发育是生命的初始阶段，也是细胞生物学研究的重要课题之一。
通过活细胞成像技术，研究人员可以观察到胚胎发育过程中各个组织和器官的形成、细胞分裂和细胞移动等过程，从而更好地了解胚胎发育的规律和本质。
三、活细胞成像技术的发展现状最初的活细胞成像技术主要是通过光学显微镜观察细胞生命过程，但由于分辨率和灵敏度的限制，很难观察到微小的细胞结构和动态变化。
随着技术的不断发展，现代活细胞成像技术已经不再局限于光学显微镜，而是发展出多种先进的成像方法，包括荧光显微镜、共聚焦显微镜、单分子荧光显微镜等。
这些技术都具有高精度、高分辨率、高灵敏度等优点，可以更加准确地观察到细胞的动态变化和功能。
四、活细胞成像技术的未来发展趋势随着生命科学研究的不断深入，活细胞成像技术也将不断迎来新的发展机遇。
生物医学光学第四组活体成像技术优秀课件
❖影响 PDT 过程中肿瘤组织氧含量的因素很多： ❖肿瘤性质及体积( 光肿瘤穿透性以及肿瘤细胞自
身耗氧等) ❖肿瘤血管床因素( 影响氧供) ❖PDT 消耗底物氧等
❖除了作为底物参与光动力反应， 组织氧还可以连 同组织酸碱度( PH) 共同影响光在组织内的穿透 性。
❖ 这与二者能够影响含氧血红蛋白/脱氧血红蛋白 的比例有关。这两种血红蛋白是组织内吸收损耗 光的主要成分，而且二者对不同的频谱吸收也不 同。
❖ 目前光敏剂已发展到第三代: ❖ 第一代为卟啉衍生物 ❖ 第二代弱化了上一代的不良反应 ❖ 第三代着重于与肿瘤细胞的特异性结合
光
❖光在 PDT 中提供激发能量，按其来源可分为白
炽光，激光及发光二极管等。主流的光敏剂其激 发光波长大都分布在 600 ～800 nm， 过短不 利于穿透组织， 过长则大多被组织内水吸收损耗 ， 而且长波光子能量小，或不足以激发光敏剂。
❖ 一般主要分布在脂膜结构上，如细胞膜，线粒体 ，溶酶体，内质网等，光敏剂经修饰或与载体等 相连接后，其定位点也可以发生明显的变化。
❖ 良好的光敏剂应该具有以下特点: ❖ 低不良反应( 过敏，系统毒性，皮肤光毒性，代谢物毒性
及放射损伤等); ❖ 不易诱发肿瘤抗性突变; ❖ 较好的肿瘤组织靶向累积性; ❖ 较容易从正常组织清除; ❖ 较强的可修饰性; ❖ 较易得的激发条件; ❖ 在光疗窗口频段中具有较高的光吸收性; ❖ 较高的活性氧产率; ❖ 便于商业化生产运输及保存; ❖ 较好的使用依从性以及较低廉的价格等；
坏死
❖ 坏死被认为是因病理而产生的被动死亡，如物理 性或化学性的损害因子及缺氧与营养不良等均导 致细胞坏死。坏死细胞的膜通透性增高，致使细 胞肿胀，细胞器变形或肿大，早期核无明显形态 学变化，最后细胞破裂。另外坏死的细胞裂解要 释放出内含物，并常引起炎症反应。
活体成像技术-活细胞成像
整体水平和组织水平研究方法活体成像技术活体成像技术，即可见光成像技术，是在小动物活体内细胞和分子水平上进行生物学行为研究的一项技术，是近年来发展最快的生命科学和药物学的研究方法，是最直接观察细胞和分子在体内行为的一项新兴技术。
多模式活体成像是当今可见光成像的最新技术潮流，不仅由荧光、生物发光和同位素三种成像方法构成完整的功能成像体系，还有X光成像提供结构成像，二者相叠加，实现特异性信号的精确定位，真正体现活体成像技术的两大技术优势—空间上的分布和时间上的变化。
对于生命科学和药物学等研究而言，了解横向空间上的分布和纵向时间上的变化尤其重要。
要了解所研究对象的特性，就必须掌握其进入体内后在各脏器和组织的分布情况，就必须进行精确的定位，现阶段这一点必须借助X光成像系统来实现。
同时，还必须掌握所研究的对象在时间上的变化，即代谢情况。
这一点，包括两种含义，即要了解同一器官不同时间量上的变化，也要了解不同时间点不同脏器内分布的变化，同样离不开精确的定位。
1.肿瘤方面的应用（应用的成像技术：X光、荧光、发光）例一：使用荷有4T1luc肿瘤细胞的小鼠模型；肿瘤细胞稳定表达生物素酶，通过生物发光技术显示肿瘤位置；用CY5.5近红外荧光染料标记VEGF(血管内皮生长因子)的单链抗体，静脉注射后，采用荧光成像技术显示抗体体内分布和代谢信息。
活体成像表明，这种抗体可以特异性结合到肿瘤细胞上，成为一种新的肿瘤标示物。
Marina V Backer1, Zoya Levashova, NATURE MEDICINE 2007, 13（4）：504-509例二：前列腺癌的生物发光成像：深层的前列腺癌成像，辅以肾造影剂显示的膀胱显影，进行精确的肿瘤定位。
例三：肺癌的生物发光成像：深层脏器的生物发光成像。
B, time course for the in vivo imaging of primarytumor and tumor metastasis (arrows) in xenografts of PC-3 and DU145transfected with DsRed2、药学研究的应用（使用X光、同位素和荧光三种模块）例一：CCPM是一种新型的荧光染料，可以用作肿瘤细胞的特异性标示；DTPA 则为常见原料药。
活体成像_PPT幻灯片
IVIS®50 Imaging System
在波长大于600nm时，由老鼠体内发出的光是可 以穿透皮肤被检测到。
标准图像的组成
传统肿瘤模型
当前肿瘤研究的主要 方法还主要局限于肉眼 观察、处死老鼠后的肿 瘤体积测量、称重及组 织学切片观察等。
传统实验方法与活体成像方法比较
核磁共振与活体成像技术比较
荧光素酶的表达（2）：细菌荧光素酶 （Photorhabdus luminescens）
Promoter luxA luxB luxC luxD luxE
luciferase Decanal发光ຫໍສະໝຸດ +FMNH2
Lux operon
活体成像系统
生物学
物理学
软件
标记基因
成像
数据分析
Living Image ®成像及数据分析软件
活体生物体内检验是生物研究的最终验证
体外试验 （In Vitro）
分子生物学技术
克隆技术
蛋白组学
体内反应 （In Vivo）
研究方法受体内环 境制约，很难准确 反映体内情况
体外检验 （ Ex Vivo）
PCR 电泳 组织病理学
等等…
活体生物体内成像
肿瘤称量 等等…
（ In Vivo Imaging Technology）
1x106 ，PC-3M-Luc肿瘤细胞，皮下注射
14天 小鼠 #6 n=7
21天
28天
35天
处理方式 细胞数
无治疗对照 2.2x109
小鼠 #40 n=8 (从第11天开始给药)
小鼠 #31 n=8 (从第11天开始给药)
5- FU治疗 2.8x108
丝裂酶素治疗 3.6x106
细胞生物学技术-活细胞成像技术及应用
活细胞成像主要是指在活细胞在体外模拟体内环境的条件下，进行显微成像采集和定时
拍摄，在白光或荧光下观测活细胞的增殖、迁移、粘附、亚细胞和分子定位追踪等等进
行动态的成像分析。
视频： 22.2-developing_egg_cells.mov
活细胞成像 (People want “live”)
视频： 17.6-mitotic_spindles_fly.mov 17.4 animal cell division 2.mov 15.1-calcium_signaling.mov 14.4-ATP_synthase.mov
紫外
红外
荧光成像：
荧光显微镜是由普通光学显微镜加上一些附件（激发光光源、激发/发射滤片、二向色镜、CCD相 机等）组成的。标本（细胞或组织切片）必须预先表达荧光蛋白或标记荧光探针。不同种类的荧 光蛋白和荧光探针有不同的激发/发射光谱。激发光光源(如高压汞灯、氙灯)可发出各种波长的光， 经滤色系统(如滤光片、光栅)发出单色光(如紫外光/蓝光/绿光等)作为激发光,激发标本内的荧光 物质发射出比激发光波长更长的荧光，再经物镜和目镜的放大进行观察或CCD成像。敏感性高，主 要用于细胞结构和功能以及化学成分等的研究。活细胞的荧光成像主要通过表达不同的荧光蛋白 (BFP/CFP/GFP/YFP/RFP)实现。
荧光显微镜-荧光光路
荧光光路
细胞成像的背景知识
激发/发射滤光块
荧光显微镜·滤光装置
细胞成像的背景知识
荧光显微镜-滤光装置
细胞成像的背景知识
荧光显微镜-物镜
细胞成像的背景知识
R= 2 x N.A.
VC
=
2
x N.A.
数值孔径
荧光显微镜- 物 镜
活体成像技术-活细胞成像
整体水平和组织水平研究方法活体成像技术活体成像技术，即可见光成像技术，是在小动物活体内细胞和分子水平上进行生物学行为研究的一项技术，是近年来发展最快的生命科学和药物学的研究方法，是最直接观察细胞和分子在体内行为的一项新兴技术。
多模式活体成像是当今可见光成像的最新技术潮流，不仅由荧光、生物发光和同位素三种成像方法构成完整的功能成像体系，还有X光成像提供结构成像，二者相叠加，实现特异性信号的精确定位，真正体现活体成像技术的两大技术优势—空间上的分布和时间上的变化。
对于生命科学和药物学等研究而言，了解横向空间上的分布和纵向时间上的变化尤其重要。
要了解所研究对象的特性，就必须掌握其进入体内后在各脏器和组织的分布情况，就必须进行精确的定位，现阶段这一点必须借助X光成像系统来实现。
同时，还必须掌握所研究的对象在时间上的变化，即代谢情况。
这一点，包括两种含义，即要了解同一器官不同时间量上的变化，也要了解不同时间点不同脏器内分布的变化，同样离不开精确的定位。
1.肿瘤方面的应用（应用的成像技术：X光、荧光、发光）例一：使用荷有4T1luc肿瘤细胞的小鼠模型；肿瘤细胞稳定表达生物素酶，通过生物发光技术显示肿瘤位置；用CY5.5近红外荧光染料标记VEGF(血管内皮生长因子)的单链抗体，静脉注射后，采用荧光成像技术显示抗体体内分布和代谢信息。
活体成像表明，这种抗体可以特异性结合到肿瘤细胞上，成为一种新的肿瘤标示物。
Marina V Backer1, Zoya Levashova, NATURE MEDICINE 2007, 13（4）：504-509例二：前列腺癌的生物发光成像：深层的前列腺癌成像，辅以肾造影剂显示的膀胱显影，进行精确的肿瘤定位。
例三：肺癌的生物发光成像：深层脏器的生物发光成像。
B, time course for the in vivo imaging of primarytumor and tumor metastasis (arrows) in xenografts of PC-3 and DU145transfected with DsRed2、药学研究的应用（使用X光、同位素和荧光三种模块）例一：CCPM是一种新型的荧光染料，可以用作肿瘤细胞的特异性标示；DTPA 则为常见原料药。
动物活体成像技术ppt课件
学习交流PPT
9
动物活体成像技术的分类
• 微PET技术是将正电子同位素标记的化合物注入生物体 内作为探针，当这些化合物参与生物体内的代谢过程时， PET按照同位素放射性分布的绝对量进行连续性扫描， 根据动力学原理和图像数据，对活体组织中的生理生化 代谢过程作出定量分析，如血流量、能量代谢、蛋白质 合成、脂肪酸代谢、神经递质合成速度、受体密度及其 与配体结合的选择性和动力学等。PET 通常使用的探针 是用11C，14N， 15O 及18F 等生物组织中含量最多元 素的放射性核素标记的化合物，它们具有与体内分子类 似（包括细胞代谢）的特点。 在药理学研究中，则可以用正电子同位素直接标记药物， 观察其在活体中的分布和代谢，或测量生理性刺激及病 理学过程中药物分布与代谢的变化，从而对药物剂量、 作用部位、可能发生的毒副作用等做出前瞻性判断。还 可以判断其代谢反应的类型及产物，观察药物与其他药 物的相互作用、药物与营养物质的相互作用、药物与受 体的作用、药物与酶的相互作用等。
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3
动物活体成像的背景
• 分子成像技术使活体动物体内成像成为可能， 它的出现，归功于分子生物学和细胞生物学的 发展、转基因动物模型的使用、新的成像药物 的运用、高特异性的探针、小动物成像设备的 发展等诸多因素。目前，分子成像技术可用 于——研究观测特异性细胞、基因和分子的表 达或互作过程，同时检测多种分子事件，追踪 靶细胞，药物和基因治疗最优化，从分子和细 胞水平对药物疗效进行成像，从分子病理水平 评估疾病发展过程，对同一个动物或病人进行 时间、环境、发展和治疗影响跟踪。
学习交流PPT
12
动物活体成像技术的分类
• CT成像
• CT成像是利用组织的密度不同造成对X射线透过率 的不同而对人体成像的临床检测技术。
活体生物发光和荧光成像技术应用介绍61页PPT
35、不要以为自己成功一次就可以了 ，也不 要以为 过去的 光荣可 以被永 远肯定 。
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
活体生物发光和荧光成像技 术应用介绍
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者 的牢骚 ，这是 羊群中 的瘟疫 ，我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
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3. 实验过程
通过分子生物学克隆技术, 应用单克隆细胞 技术的筛选，将荧光素酶的基因稳定整合到 预期观察的细胞的染色体内，培养出能稳定 表达荧光素酶蛋白的细胞株。
典型的成像过程
小鼠经过麻醉后放入成像暗箱平台，软件控制平台 的升降到一个合适的视野，自动开启照明灯拍摄第 一次背景图。下一步，自动关闭照明灯,在没有外界 光源的条件下拍摄由小鼠体内发出的光，即为生物 发光成像。 与第一次的背景图叠加后可以清楚的显 示动物体内光源的位置，完成成像操作。之后，软 件完成图像分析过程。
活体动物体内成像技术 李富荣
主要采用生物发光与荧光两种技术
生物发光：用荧光素酶基因标记细胞或DNA. 荧光技术：采用荧光报告基团（GFP、RFP,
Cy5及Cy7等）进行标记。
技术优势
●利用一套非常灵敏的光学检测仪器，让 研究人员能ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ直接监控活体生物体内 的细胞活动和基因行为。
●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。
4．荧光成像功能
荧光发光：是通过激光激发荧光基团而产生 发射光。常用的有绿色荧光蛋白(GFP)、红色 荧光蛋白DsRed 及其它荧光报告基团，标记 方法与体外荧光成像相似。荧光成像具有费 用低廉和操作简单等优点。
●荧光信号远远强于生物发光，但非特异性荧 光产生的背景噪音使其信噪比远远低于生 物发光。这些背景噪音造成荧光成像的灵 敏度较低。
（2） 免疫学与干细胞研究
●将荧光素酶标记的造血干细胞移植入脾及骨髓， 可用于实时观测活体动物体内干细胞造血过程的 早期事件及动力学变化。
●有研究表明，应用带有生物发光标记基因的小鼠 淋巴细胞，检测放射及化学药物治疗的效果，寻 找在肿瘤骨髓转移及抗肿瘤免疫治疗中复杂的细 胞机制。
●应用可见光活体成像原理标记细胞，建立动物模 型，可有效的针对同一组动物进行连续的观察， 节约动物样品数，同时能更快捷地得到免疫系统 中病原的转移途径及抗性蛋白表达的改变。
2. 光学原理
基本原理在于光可以穿透实验动物的组织并 且可由仪器量化检测到的光强度，同时反映 出细胞的数量。
利用灵敏的活体成像系统最少可以看到皮 下的500个细胞，当然，由于发光源在老鼠体 内深度的不同可看到的最少细胞数是不同的。 在相同的深度情况下, 检测到的发光强度和 细胞的数量具有非常好的线性关系。
生物发光成像系统组成
以精诺真公司的IVIS100为例, 体内可见光成 像系统主要由三部分组成—— （1）CCD镜头：选择适当的CCD镜头，对于体内可见
光成像是非常重要的。 （2）成像暗箱：像暗箱屏蔽宇宙射线及一切光源，
可以使暗箱内部保持完全黑暗，CCD所检测的光线 完全由被检动物体内发出，避免外界环境的光污 染。 （3）软件系统：软件系统负责仪器控制和图像分析。
●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. 标记原理
生物发光：是将Fluc基因整合到细胞染色体DNA上以 表达荧光素酶，当外源（腹腔或静脉注射）给予其 底物荧光素(luciferin)，即可在几分钟内产生发光 现象。这种酶在ATP及氧气的存在条件下，催化荧光 素的氧化反应才可以发光，因此只有在活细胞内才 会产生发光现象，并且光的强度与标记细胞的数目 线性相关。
精诺真（Xenogen）活体化学发光和荧光成像系统
Lightools活体荧光成像系统
标记细胞的方法:通过分子生物学克隆技术, 将荧光素酶的基因插到预期观察的细胞的染 色体内，通过单克隆细胞技术的筛选, 培养 出能稳定表达荧光素酶的细胞株。 结果观察：将标记好的细胞注入小鼠体内后, 观测前需要注射荧光素酶的底物—荧光素， 为约280道尔顿的小分子。注射一次荧光素能 保持小鼠体内荧光素酶标记的细胞发光30-45 分钟。应用一个高度灵敏的制冷CCD相机及特 别设计的成像暗箱和成像软件。
2. 标记病毒
（1） 病毒侵染 以荧光素酶基因标记的HSV-1病毒为例，可 观察到HSV-1病毒对肝脏、肺、脾及淋巴结 的侵和病毒从血液系统进入神经系统的过 程。多种病毒，腺病毒，腺相关病毒，慢 病毒，乙肝病毒等，已被荧光素酶标记， 用于观察病毒对机体的侵染过程。
●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。
●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。
●这一技术对肿瘤微小转移灶的检测灵敏度极 高，不涉及放射性物质和方法, 非常安全。
●荧光成像有其方便，便宜，直观，标记靶点 多样和易于被大多数研究人员接受的优点， 在一些植物分子生物学研究和观察小分子 体内代谢方面也得到应用。
●最近许多文献报道，利用绿色荧光蛋白和 荧光素酶对细胞或动物进行双重标记，用 成熟的荧光成像技术进行体外检测，进行 分子生物学和细胞生物学研究；然后利用 生物发光技术进行动物体内检测，进行活
体动物体内研究。
技术应用
通过活体动物体内成像系统，可以观测到疾 病或癌症的发展进程以及药物治疗所产生的 反应，并可用于病毒学研究、构建转基因动 物模型、siRNA研究、干细胞研究、蛋白质相 互作用研究以及细胞体外检测等领域。具体 应用如下：
1. 标记细胞
（1） 癌症与抗癌药物研究 直接快速地测量各种癌症模型中肿瘤的生长 和转移，并可对癌症治疗中癌细胞的变化进 行实时观测和评估。活体生物发光成像能够 无创伤地定量检测小鼠整体的原位瘤、转移 瘤及自发瘤。活体成像技术提高了检测的灵 敏度，即使微小的转移灶也能被检测到（可 以检测到体内102个细胞的微转移）。
（3） 细胞凋亡
当荧光素酶与抑制多肽以融合蛋白形式在哺乳动物 细胞中表达，产生的融合蛋白无荧光素酶活性，细 胞不能发光，而当细胞发生凋亡时，活化的 caspase-3在特异识别位点切割去掉抑制蛋白，恢复 荧光素酶活性，产生发光现象，由此可用于观察活 体动物体内的细胞凋亡相关事件。也可以通过使用 特殊的底物，DEVD-luciferin，当发生细胞凋亡 时，活化的caspase-3会切断DEVD与luciferin的连 接，恢复荧光素酶与luciferin的相互作用而发光。