活体生物发光和荧光成像技术应用介绍
生物发光的基本原理及应用
生物发光的基本原理及应用1. 简介生物发光是指生物体在一定条件下能够自发地产生可见光的现象。
生物发光现象在自然界广泛存在于各种生物体中，包括昆虫、鱼类、浮游生物等。
对于一些生物体来说，发光在其繁衍生息、捕食与逃脱等生活活动中扮演着重要角色。
本文将介绍生物发光的基本原理以及其应用。
2. 基本原理生物发光的基本原理是通过一系列生物化学反应过程产生的。
在发光中，有三个主要的生物组分参与其中：底物、酶和荧光素。
2.1 底物底物是生物发光反应的起始物质，常见的底物包括辅酶A和ATP等。
底物的能量通过光化学反应转化为可见光。
2.2 酶酶在生物发光反应中充当催化剂的角色。
最常见的酶是荧光素酶，它能够催化底物的氧化反应，从而释放能量并产生光。
2.3 荧光素荧光素是生物发光反应中的关键分子。
它在受到激发后能够释放出能量，并将其转化为可见光。
不同生物体中的荧光素种类各异，包括萤火虫荧光素、海葵荧光素等。
3. 生物发光的应用生物发光的特性使其在许多领域有广泛的应用。
以下是几个常见的应用领域：3.1 生物医学研究生物发光在生物医学研究中发挥着重要作用。
通过标记荧光素，研究人员可以追踪细胞、蛋白质和基因的变化。
例如，荧光素标记的抗体可以用于观察肿瘤细胞的分布和增殖情况，进一步研究肿瘤发展的机制。
3.2 生物传感器生物发光技术可以应用于制作生物传感器，用于检测环境中的特定物质。
例如，通过将荧光素标记在细菌中，可以实现对水体中有毒物质的快速检测。
3.3 光学成像生物发光在光学成像领域有着广泛的应用。
在活体成像中，通过给动物注射荧光素，可以观察到某些组织或器官的内部情况。
这种非侵入性的成像技术在生物医学研究中具有重要意义。
3.4 荧光标记生物发光可以用于荧光标记，用于检测和追踪特定分子的活动。
通过标记荧光素，科学家可以研究细胞内的化学反应、分子运动等过程。
例如，通过荧光标记可以观察到细胞内蛋白质的合成和降解过程。
4. 总结生物发光是一种神奇的现象，其基本原理涉及底物、酶和荧光素的参与。
生物发光技术及其应用
生物发光技术及其应用生物发光技术是一项新兴的技术，可以让生物体散发出自己的光芒。
这种技术可以被广泛应用于医学、环保、食品、生物学等领域。
下文将从技术原理、应用研究和发展前景三个方面进行论述。
一、技术原理发生生化反应时，一部分活性分子会释放出能量，其中一部分能量以光的形式释放。
生物发光技术就是利用这种生化反应的特性，设计出一系列专门的荧光探针，通过与特定的生物分子结合相互作用，产生荧光信号，从而实现监测、诊断、检测等应用。
生物发光技术的荧光探针主要包括两类：一类基于天然光产生的物质，比如萤火虫的荧光素、螢光素；另一类基于人工合成分子，比如荧光分子，染料等。
这些探针可以通过直接注入、基因转染、珠片偶联、电化学探测等多种方法与靶分子结合，产生强烈的荧光信号，从而实现灵敏、高效的生物分子检测。
二、应用研究生物发光技术的应用在医学、环保、食品安全、生物学研究等方面都取得了阶段性的成果。
在医学领域，生物发光技术已经被广泛应用于医学分子诊断和监测，尤其是自动化和高通量的化学发光和生物发光技术已广泛应用于临床分子医学和药物筛选。
比如检测血清中的乳酸脱氢酶、卫星细胞，在体内可视化肿瘤和转移等。
此外，生物发光技术还在细胞资料研究、细胞动力学、化学与光学成像等方面发挥了重要作用。
在环保领域，生物发光技术可以监测纳米微粒的生物毒性，检测废水中污染物浓度，评价灾区环境污染等。
在食品安全方面，生物发光也有广泛应用。
例如，可以用于检测食品添加剂的残留量、食品中农药的含量、食品中基因改造成分的检测等。
在生物学研究上，生物发光技术在基因表达、信号传递、酶活性等方面发挥了重要作用。
比如，可以用于研究存活细胞中特异性酶的活性、研究胚胎发育过程中各个阶段的细胞特异性标记等。
三、发展前景随着技术水平的不断提高，生物发光技术将会在更广泛的领域和更深度的研究中得到应用。
生物发光技术在医学、环保、食品、生物学等领域中的应用前景非常广阔，而现代科学的发展对生物发光技术的研究提出了更高的要求和挑战。
活体成像系统
活体成像系统（in vivo imaging system）主要采用生物发光（bioluminescence）和（fluorescence）两种技术在活体动物内进行生物标记，通过成像系统来检测被标记的动物体内分子和或细胞的生物发展进程，并进行相关的生物、药物治疗研究，在体外检测、干细胞研究、纳米药物的传输等方面有着广泛的应用。
1.利用活体成像系统标记、示踪干细胞活体成像实验中常用萤火虫荧光素酶或亲脂性荧光素染料直接标记干细胞，从而监测干细胞在活体动物内的移植、存活、增殖；示踪干细胞在体内的分布于迁移；诱导多能干细胞在移植鼠体内的分化存活及免疫排斥。
利用生物发光和荧光不但可以监测到活体内细胞增殖，还可监测凋亡细胞事件，标记凋亡细胞可用于包括AIDS、神经退行性疾病、脊髓炎综合征、缺血／再灌注损伤及肿瘤等细胞增殖一调亡的平衡被破坏而发生的一系列相关疾病的研究。
2.利用活体成像系统进行纳米诊断癌症早期精准检测诊断对其治疗具有重要的意义，肿瘤标志物的传统检测方法存在敏感性与特异性方面的问题。
对于早期诊断来说，诊断灵敏度是其中至关重要的因素。
利用纳米粒子的独特的光、电、热、磁和力学性能，可以显著增强检测的灵敏度与特异性。
目前，基于纳米粒子的肿瘤疾病诊断技术主要包括早期肿瘤标志物检测技术、活体动态多模式影像诊断技术等。
例如，将能够识别肿瘤细胞表面受体的特异性配体与纳米粒子结合，待纳米粒子与肿瘤细胞特异性结合后，利用物理方法如测试传感器中的磁讯号、光讯号等，通过成像系统显影，能够对体内是否存在恶性肿瘤进行早期诊断。
除了诊断功能外，利用纳米诊断材料与肿瘤细胞结合的特性，进行肿瘤细胞示踪与捕获杀灭，实现诊断-治疗一体化是肿瘤纳米诊断治疗技术的重要目标。
3.利用活体成像系统检查标记的肿瘤细胞或抗肿瘤药物在肿瘤研究中，活体成像技术被用来检测肿瘤的生长，从而对基因治疗和抗癌药物的药效的进行评价，此外还应用于多种癌症，如肺癌、乳腺癌、膀胱癌等的活体动物模型的建立。
生物发光素应用于活细胞和活体成像的技术
生物发光素应用于活细胞和活体成像的技术近年来，随着科技的不断进步，生物学领域也逐渐被赋予了新的研究视角和方法。
其中，生物发光素应用于活细胞和活体成像的技术，成为了生命科学研究的重要工具。
生物发光素是许多生物体内的一种化学物质，具有发光性质。
生物发光素的光学特性、成本和对细胞影响较小等优势，使其成为细胞和组织活体成像的理想探针。
生物发光素的种类很多，如蛋白质发光素、荧光素等。
其中，蛋白质发光素是一种广泛存在于不同生物界中的光学探针。
它是由柔韧的肽链构成，包裹住一个发光色素结构域，靠着体内代谢循环形成、替换，完成发光的过程。
由于蛋白质发光素依附于蛋白质结构中，因此其能够稳定地嵌入细胞膜，并融入细胞液中发挥作用，从而具有较好的结构特异性，以及较好的信噪比。
蛋白质发光素是一种天然的生物感光体。
和荧光增强等非天然荧光探针相比较，蛋白质发光素的光量响应更为浓度感性，这意味着光发射量会随着灵敏度的变化而调整，从而将这种发光素应用于时间解析性较高的蛋白质结构和调控过程的研究上。
由于蛋白质发光素具有较好的光学性质，因此被广泛应用于蛋白质的生物成像研究中。
除了蛋白质发光素，荧光素是另一种许多生物体内存在的重要发光素。
荧光素由三个芳环组成，可以通过化学修改的方式，将其固定在分子或蛋白质上。
荧光素光发射能够从低波长移向高波长，从而形成荧光发射，从而得到荧光成像。
与传统的生物成像技术相比，生物发光素应用于活细胞和活体成像的技术具有以下三个优点：一是无损检测。
生物发光素发射的电子能够不接触细胞就被侦测到，因此生物发光素成像不会破坏样本，从而可以在较长时间内进行监测和追踪。
二是高时间分辨率。
生物发光素的发射在时间尺度上较短，可以应用于高时间分辨率的成像和跟踪。
三是较低成本。
生物发光素是一种生物性质的发光素，并且较容易制备，因此成本比较低，也非常适合大规模应用。
生物发光素应用于活细胞和活体成像的技术已经得到了广泛的应用。
在细胞水平上，生物发光素成像可以研究细胞的生物化学特征和信号通路，帮助我们更好地了解细胞的生命活动。
活体生物发光与荧光成像技术在干细胞研究中的应用
２０ ８
生
物
技
术
通
讯
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文 章 编 号 ：０ ９ ０ ０ （０ ８０ － ２ ０ ０ １０ －０ ２ ０ ）２ ０ ８－ ３ ２
［ ｓｒｃ】 Ｉ ｉ ｐｉ ｌｉａｉｇ ｔ ｈ ｏ ｇｅ ｉ ｉｕ ｎ ｓｅｃ ｎ ｕ ｒｓｅｃ ａ ｅｎ ｐ ｖｄ ｔ ｂ ｅｓｔｅ Ａｂｔ ｔ ｎ ｖ ｏ ｏ ｔａ ｍ ｇｎ ｅ ｎ ｌ ｉｓｗｔ ｂｏ ｍｉ ｃｎｅ ａｄ ｆ ｏｅｃｎｅ ｈ ｂｅ ｒ ｅ ｏ ｅ ａ ｖｒ ｉ ａ ｖ ｃ ｃ ｏ ｈ ｌ ｅ ｌ ｓ ｏ ａｌ
做 了详细 介 绍 。
［ 键 词 】 活体 生 物 发 光 与 荧 光成 像 技 术 ； 胎 干 细胞 ； 关 胚 造血 干 细胞 ； 经 祖 细 胞 神 ［ 中图 分 类 号 】 Ｒ １ ３２ ［ 献标识码 】 Ａ 文
Ｔｈｅ Ａｐ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ／ Ｖｉｏ ｐｌｃ ｔｏ ｆ ｎ ｖ Ｏｐ ｉ ａ ｍ ａ ｉ ｃ ｎｏ ｏ ｉ ｓ ｗｉｈ ｏ ｕｍ ｉ ｓ ｅ ｅ ｎｄ ｔｃ ｌ Ｉ ｇ ｎｇ Ｔｅ ｈ ｌ ｇ ｅ ｔ Ｂｉ ｌ ｎｅ ｅ ｎ ｅ ａ Ｆｌ ｒ ｓ ｅ ｅ ｎ ｔ ｓ ａ ｃ ｆ Ｓｔ ｍ Ｃｅｌ ｕｏ ｅ ｃ ｎｃ ｏ ｈｅ ｌ ｅ ｒ ｈ ｏ ｅ ｌ
［ 要 】 活体生物发光与荧光成像技术是近年发展起 来的新兴技 术， 摘 以其 操 作 简 便 、 敏 度 高 、 伤 性 小在 生 命 科 学研 究 灵 创 中有 着 较 大 的 优 势 ， 目前 已被 广 泛 应 用 于基 因标 记 、 胞 凋 亡 、 疫 细 胞 研 究 、 瘤 转 移 等 诸 多领 域 ， 其 在 新 兴 的干 细 胞 细 免 肿 尤 研 究 方 面 更是 发 挥 着 不 可 替代 的作 用 。综 述 了活体 生物 发 光 与荧 光 成 像 技 术 的 原 理 、 势 、 优 应用 范 围及 发 展 前 景 ， 别 对 近 特 年 来该 技 术在 胚 胎 干 细 胞 的 肝 向分 化 、 造 血 干 细胞 重建 小 鼠 造血 系 统 、 经祖 细胞 治 疗 中枢 神 经 系 统 肿 瘤 等 方 面 的应 用 人 神
小动物活体成像技术的原理及操作方法
小动物活体成像技术的原理及操作方法小动物活体成像技术（In vivo Imaging）是一种非侵入性的影像学检测方法，能够实时观察小动物体内生物过程的变化。
这种技术被广泛应用于药物研发、疾病研究、肿瘤学以及神经科学等领域。
以下将详细介绍小动物活体成像技术的原理及操作方法。
原理：小动物活体成像技术主要依赖于生物标记物的发光或吸收特性，将其转化为可见光、近红外光或射线信号进行成像。
常见的活体成像方法包括生物发光成像（Bioluminescence Imaging, BLI）、荧光成像（Fluorescence Imaging, FLI）、放射性同位素成像（Radionuclide Imaging）以及磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）等。
生物发光成像是应用广泛的一种小动物活体成像技术。
其基本原理是使用生物荧光标记物的荧光发射来观察对象的生物过程。
一般情况下，研究者将荧光标记物（例如荧光蛋白）合成到感兴趣的生物分子（例如蛋白质或细胞）中，然后用荧光成像仪观察荧光发射。
这种方法由于操作简便、解析度高以及成本相对较低而得到广泛应用。
操作方法：1.设计实验：在进行活体成像前，研究者需要设计合适的实验方案。
这包括选择适合的动物模型、确定使用的荧光或射线标记物、考虑成像时间点以及确定成像区域等。
2.准备动物：在进行成像前，需要准备适当的小动物（如小鼠或兔子）并保证其健康状态。
动物应该经过严格的饲养和管理，以确保成像结果可靠。
3.注射标记物：根据实验设计，将合适的标记物注射到小动物体内。
标记物可以是荧光蛋白、放射性同位素或磁性荧光探针等。
注射可以通过尾静脉注射、腹腔注射或皮下注射等方式进行。
4.成像操作：根据实验需求使用相应的成像设备进行成像。
不同的成像技术有不同的操作要求，例如生物发光成像需要使用荧光成像仪，而放射性同位素成像则需要使用放射性同位素摄像机。
5.数据获取与分析：进行成像后，需要对获得的数据进行分析和解释。
活体动物光学成像技术与应用研究
活体动物光学成像技术与应用研究活体动物光学成像是利用生物发光及荧光技术在活体动物体内进行生物标记通过光学成像系统来监测被标记动物体内分子及细胞等的生物学过程。
按发光模式可分为生物发光和荧光两类。
相对于传统动物实验研究方法，具有无创、可多次重复、实时活体成像、灵敏、安全等优势，这项技术在标记活体内肿瘤活体细胞示踪、标记基因及转基因动物等方面的应用广泛。
标签：活体成像；生物发光；荧光；应用传统实验设计动物研究时，常采用的方法是处死老鼠，解剖后通過肉眼观察脏器病理变化，再组织切片观察等，无法动态监测整个活体内生物学事件的发生、发展，而活体动物光学成像（optical in vivo imaging）主要采用生物发光（bioluminescence）与荧光（fluorescence）2种技术在活体动物体内进行生物标记，通过成像系统可以动态或静态监测被标记分子或细胞在活体动物体等的发展进程，以及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[1-3]。
生物发光是通过荧光素酶（Luciferase）基因标记细胞或DNA，而荧光技术则采用荧光报告基因（GFP、RFP及dyes等）进行标记。
两者的主要区别在于生物发光是动物体内的自发荧光，不需要激发光源，而荧光则需要外界激发光源的激发出荧光再通过检测器检测，就可以直接观察到被测物体内的细胞运动和基因行为。
1原理与分类活体动物光学成像技术是指在活体动物体内利用报告基因-荧光素酶基因表达使其产生的荧光素酶蛋白再与小分子底物荧光素作用，需在氧、Mg2+存在的条件下消耗ATP之后发生氧化反应，这时将产生的化学能量转化变为可见光能释放，最后在体外再利用敏感的检测器CCD设备形成图像。
荧光素酶基因可以被插入多种基因的启动子（promoter），成为某种基因的报告基因，通过监测报告基因从而实现对目标基因的监测。
1.1生物发光技术生物发光荧光实质是一种化学发光，其过程需要底物萤火虫荧光素酶的参与，通过氧化其特有底物的过程中，将会释放可见光光子，其波长广泛约为560 nm（460～630 nm），甚至包括超过600 nm的重要的波长红光范围。
活体荧光成像技术在医学中的应用
活体荧光成像技术在医学中的应用随着科技的不断发展，医学技术也在迅速进步。
其中一个叫做“活体荧光成像技术”的新技术，已经引起了医学界的广泛关注。
这项技术是一种通过显微镜和特殊的成像技术来观察活体器官的技术。
在医学中有着广泛的应用。
本文将介绍活体荧光成像技术在医学中的应用。
1. 活体荧光成像技术是什么？活体荧光成像技术是一种通过显微镜和特殊的成像技术来观察活体器官的技术。
它是通过感光元件和软件程序来实现显微镜成像和自动化分析的。
这项技术可以将生物发光的能力转化为图像来帮助实现内部器官的显微检测和分析。
这项技术广泛应用于癌症和其他疾病的研究和治疗。
2. 活体荧光成像技术在医学研究中的应用活体荧光成像技术在医学研究中发挥着巨大的作用。
这项技术可以用于研究和识别疾病和异常细胞，包括癌症细胞、细胞转化、生理变化、代谢调节和发育等。
在癌症研究方面，活体荧光成像技术被广泛用于观察肿瘤血供、细胞转移和微观肿瘤发生等过程。
此外，活体荧光成像技术还可以用于观察器官、细胞分裂、自噬和细胞自我修复等现象。
3. 活体荧光成像技术在医学诊断中的应用除了在医学研究中的应用，活体荧光成像技术还可以用于医学诊断。
在肿瘤手术中，医生可以利用这项技术观察肿瘤情况和移除程度，帮助提高手术效果和治疗效果。
此外，这项技术也可以用于心血管系统、消化系统以及神经系统等器官的诊断。
4. 活体荧光成像技术的优势和挑战活体荧光成像技术具有许多优势。
首先，它是一种非侵入性的成像技术，无需切开、取样或注射药物，可以帮助减少手术风险和病人痛苦。
其次，这项技术可以将生物发光的能力转化为图像，实现了更为精细和全面的成像效果。
然而，活体荧光成像技术的应用也面临着一些挑战，如光线故障、成像深度受限等问题。
此外，该技术也需要更多的研究来提高其精度和可靠性。
5. 结论随着医学技术的迅速发展，活体荧光成像技术在医学界的应用前景备受关注。
这项技术在医学研究和诊断中均具有广泛的应用价值，可以用于疾病检测和治疗、手术指导和疗效检测等方面，使医学诊疗更加精准和安全。
荧光成像技术在生物医学中的应用
荧光成像技术在生物医学中的应用荧光成像技术是一种先进的成像技术，已经广泛应用于生物医学领域。
通过将某种荧光物质与生物样本相结合，荧光成像技术可在高分辨率和高灵敏度下监测细胞发生的各种活动，从而提供了一种无创且高效的分子成像方法。
荧光蛋白是荧光成像技术最重要的组成部分之一，它们是一类天然存在于生物体内的蛋白质，能够发出亮绿、黄色、红色甚至蓝色的荧光。
利用这些荧光蛋白，科学家们可以观察细胞、组织和生物体的各种活动，从而研究人类、动物和植物的生命现象。
下面我们就来一一谈一谈荧光成像技术在生物医学领域中的应用。
一、荧光成像技术在细胞生物学中的应用荧光成像技术在细胞生物学领域中的应用是最为广泛的。
在细胞里，荧光蛋白通常用来标记蛋白质、核糖核酸和其他重要生物分子。
以这种方法标记的分子会发出独特的荧光信号，并能被荧光显微镜捕捉到。
这极大地增加了研究生物学过程的能力。
例如，荧光成像技术可以帮助科学家们观察细胞内部的代谢过程。
使用荧光蛋白标记蛋白质后，科学家们可以轻松地在活体细胞内部追踪蛋白质的转运和定位。
此外，荧光成像技术还可用于研究病毒和细菌对宿主细胞的感染过程。
例如，一种名为“核糖体聚合酶酵母菌”（rRNA-Ligase Yeast）的荧光蛋白，已被成功应用于观察禽流感病毒在细胞内的感染过程。
二、荧光成像技术在医学影像学中的应用荧光成像技术在医学影像学领域中也被广泛应用。
通过荧光成像技术可以更加准确地诊断疾病，例如心血管疾病、肿瘤和神经疾病等。
该技术也可以用于监测药物输送和药物代谢过程，以及定位癌细胞和处理肿瘤等方面的治疗方法。
荧光成像技术主要分为内突光成像技术和显微荧光成像技术。
内突光成像技术是一种近红外光（NIR）成像技术，其工作原理是将一组荧光探针注入动物体内，然后扫描确定背景氧气浓度。
因为癌细胞在高氧气浓度下生长更快，所以此技术可以在非侵入性的情况下精确地定位癌瘤。
显微荧光成像技术是另一种常用的医学影像学技术。
小动物活体成像的原理及区别
小动物活体成像的原理及特点小动物活体成像主要采用生物发光（bioluminescence）与荧光（fluorescence）两种技术。
生物发光是用荧光素酶（Luciferase）基因标记细胞或DNA，而荧光技术则采用荧光报告基团（GFP、RFP, Cyt及dyes等）进行标记。
利用一套非常灵敏的光学检测仪器，让研究人员能够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。
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。
相比之下，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。
另外, 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。
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。
一、技术原理1. 标记原理哺乳动物生物发光，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。
对于细菌，lux操纵子由编码荧光素酶的基因和编码荧光素酶底物合成酶的基因组成，带有这种操纵子的细菌会持续发光，不需要外源性底物。
基因、细胞和活体动物都可被荧光素酶基因标记。
标记细胞的方法基本上是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。
目前, 常用的细胞株基本上都已标记好, 市场上已有销售。
活体成像counts.s
活体成像counts.s活体成像counts.s主要采用生物发光（bioluminescence）与荧光（fluorescence）两种技术。
生物发光是用荧光素酶（Luciferase）基因标记细胞或DNA，而荧光技术则采用荧光报告基团（GFP、RFP、Cyt及dyes等）进行标记。
采用一套非常灵敏的光学检测仪器，让研究人员能够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。
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。
相比之下，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。
另外，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。
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。
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。
典型的成像过程是：小鼠经过麻醉系统被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。
使用者可以方便的选取感兴趣的区域进行测量和数据处理及保存工作。
当选定需要测量的区域后，软件可以计算出此区域发出的光子数，获得实验数据。
软件的数据处理和保存功能非常强大，可以加快实验速度，方便大批量的实验。
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。
活体动物体内成像技术及其在生物医学中的应用进展
活体动物体内成像技术及其在生物医学中的应用进展【摘要】活体动物体内成像是近年来新兴的检测活体动物体内基因表达及细胞活动的光学成像技术,具有操作简便，直观性强的特点。
这项技术包括生物发光成像和荧光成像，采用报告基因产生的生物发光、荧光蛋白质或染料产生的荧光作为体内生物光源，与新型冷CCD成像相结合，实时探测活体动物体内生理或病理条件下的细胞和分子事件。
本文简要综述了活体动物体内成像技术的原理、应用领域及发展前景。
【关键词】体内光学成像; 生物发光; 荧光Abstract: In vivo optical imaging, including bioluminescence and fluorescence imaging, is one of the newly developed tools that enable analyses of cellular and molecular events in intact living animals noninvasively. This technology employsinternal biological sources of light emitted from luciferases, fluorescent proteins or dyes, to label genes and cells. Combining these reporters with the new generation of charge coupled device (CCD) cameras, cellular and molecular features of physiology and disease in real time. This paper provides a review of principle, development and application of this imaging strategy.Key words: In vivo optical imaging; bioluminescence; fluorescence活体动物体内光学成像(optical in vivo imaging)主要采用生物发光与荧光两种技术。
生物活体成像技术的研究进展
生物活体成像技术的研究进展随着科技的不断发展，生物成像技术也得到了越来越广泛的应用。
通过生物活体成像技术，人们可以在活体组织及器官内实时观察细胞和分子水平的生理和病理过程，为医学和生物学领域提供了强有力的工具。
本文将从成像原理、技术进展以及应用前景三个方面介绍生物活体成像技术的研究进展。
一、成像原理生物活体成像技术主要有三种类别：荧光成像、声音成像和光学磁共振成像。
其中，最常见的是荧光成像技术。
这是基于荧光染料的发光特性来进行组织成像的技术。
荧光染料可以被细胞或其他生物分子吸收，从而在荧光显微镜下观察到它们的活动或位置。
通过不同的荧光染料标记相应的生物分子，可以实现对不同细胞或微生物的同步识别和定位。
声音成像技术是一种超声成像技术。
它利用了声波的传播和反射规律，在复杂的组织中产生了清晰的影像。
这种技术在医学领域得到了广泛应用，如超声心动图、血管超声检查等。
光学磁共振成像是一种基于磁共振成像技术的二光子显微成像技术。
通过能够产生光学响应的铁离子光响应性荧光物质，可以实现活体磁共振成像。
这种技术在新陈代谢和生物分子水平的实时成像方面具有很大优势。
二、技术进展近年来，随着生物活体成像技术的发展，各种新的技术和设备不断涌现。
首先，光学显微镜技术得到了很大的改进。
现代荧光显微镜已经能够在细胞图像中进行三维成像，并且可以实现单细胞的成像。
同时，光学显微镜也逐渐从非线性显微镜向高通量成像的方向进行发展。
其次，光声成像技术也在不断发展。
它已经在医院中得到了广泛应用。
在神经诊断中，光声成像可用于识别神经鉴定这一重要结构，并帮助解释神经电刺激效果。
在肝病和肝细胞癌的诊断中，光声成像能够清楚地区分不同组织，提高诊断精度。
最后，磁共振成像技术也在不断发展，同时也成为了体内成像领域中的标准。
在生物活体磁共振成像中，新的超级磁共振成像设备能够实现更快、更清晰的成像结果。
三、应用前景生物活体成像技术在医学和生物学领域的应用前景非常广泛。
生物发光原理及其在生命科学中应用
生物发光原理及其在生命科学中应用生物发光是一种在生物体内产生和放射光能的现象。
这种引人注目的现象不仅引起了科学家们的好奇心，还在生命科学的许多领域中发挥着重要作用。
本文将介绍生物发光的原理以及其在生命科学中的应用。
生物发光的原理主要基于两种机制：荧光和生物发光。
荧光是一种光发射的过程，通过吸收光能后，分子进入激发态，并在较短的时间内返回到基态并释放光能。
与之相反，生物发光是由特殊的生物化学反应产生的，可以持续较长时间。
许多生物体都能发光，其中最为著名的是萤火虫。
萤火虫是一种昆虫，其身体内部含有一种称为荧光素的物质。
当荧光素与一种酶称为荧光素酶结合时，荧光素酶将荧光素氧化为激发态，随后返回到基态，并释放出光能。
这个过程被称为荧光素酶的“促进发光”。
除了萤火虫，其他生物如珊瑚、鱼类和一些微生物也能发光。
这种生物发光的机制是通过一系列复杂的酶催化过程实现的。
例如，海洋中的一种微生物称为荧光细菌，能够在光异常的环境中发光。
这些细菌产生一种称为荧光素的物质，并通过一系列酶反应使其发光。
生物发光在生命科学中有重要的应用价值。
首先，生物发光被广泛应用于生物成像技术。
通过将荧光素或其他相关发光物质标记在感兴趣的生物分子上，例如蛋白质和核酸，科学家可以实时观察这些分子在细胞和生物体内的位置和运动。
这种技术对于理解许多生物过程，如细胞分裂和基因表达具有重要意义。
其次，生物发光还被应用于检测和监测生物体内的重要生化过程。
例如，荧光素酶已被用作生物传感器，用于检测和测量生物体内的特定分子。
通过将荧光素酶与目标分子结合，当目标分子存在时，荧光素酶会发生催化反应并产生发光信号。
这种方法对于检测和监测生物体内的蛋白质、代谢产物和其他生物分子具有极高的灵敏度和特异性。
此外，生物发光还被用于研究和治疗疾病。
例如，在癌症治疗中，科学家利用荧光标记的抗体来定位和治疗肿瘤细胞。
这种方法可以帮助医生更准确地诊断肿瘤，同时也可以实时监测治疗效果。
活体动物体内生物发光和荧光成像技术
活体动物体内生物发光和荧光成像技术基础原理与应用简介文章来自中国生物器材网文章目录：一、活体生物发光成像技术二、活体动物荧光成像技术三、生物发光成像与荧光成像的比较四、活体动物可见光成像仪器原理与操作流程活体动物体内成像技术是指应用影像学方法，对活体状态下的生物过程进行组织、细胞和分子水平的定性和定量研究的技术。
活体动物体内成像技术主要分为可见光成像(optical imaging)、核素成像（radio-nuclear imaging）、核磁共振（magnetic resonance imaging ，MRI）成像和超声（ultrasound）成像、计算机断层摄影（computed tomography ，CT）成像五大类，其中可见光成像和核素成像特别适合研究分子、代谢和生理学事件，通常称为功能成像；超声成像和CT则适合于解剖学成像，通常称为结构成像。
功能成像与结构成像比较，前者更能够反映细胞或基因表达的空间和时间分布，从而了解活体动物体内的相关生物学过程、特异性基因功能和相互作用。
所以，活体动物体内功能成像技术可用于观察和追踪靶细胞、基因的表达，同时检测多种分子事件，优化药物和基因治疗方案，从分子和细胞水平对药物疗效进行观察，从整体动物水平上评估疾病发展过程，对同一个动物进行时间、环境、发展和治疗影响跟踪。
由于功能成像的诸多优势，这项技术广泛应用于生命科学、医学研究及药物开发等方面，本文重点介绍活体动物可见光成像技术。
体内可见光成像(optical in vivo imaging)技术主要包括生物发光(bioluminescence)与荧光(fluorescence)成像两种技术。
生物发光成像是用荧光素酶(luciferase)基因标记细胞或DNA，利用其产生的蛋白酶与相应底物发生生化反应产生生物体内的探针光信号；而荧光成像则是采用荧光报告基因（如GFP、RFP）或Cyt及dyes等荧光染料进行标记，利用荧光蛋白或染料产生的荧光就可以形成体内的荧光光源。
生物发光与生物荧光成像技术
生物发光与生物荧光成像技术生物发光和生物荧光作为生物学研究领域中的两个重要现象，已经被广泛应用于生命科学。
通过光学显微镜等设备，科学家们可以利用这两种现象来研究细胞和生物分子的运动、变化和互动情况。
在这篇文章中，我将介绍生物发光和生物荧光的基本概念、机制和应用，以及一些现代生物荧光成像技术的发展和应用。
生物发光和生物荧光的基本概念生物发光是指一些微生物或动物体内酶促反应产生的发光现象。
比如，萤火虫体内酶促反应将氧气和荧光素转化成氧化荧光素时，会产生强烈的发光。
而生物荧光则是指一些细胞或生物分子在受到特定波长的光激发后，会放出一种较弱但持久的发光。
比如，绿色荧光蛋白（GFP）是一种存在于水母等生物中的蛋白质，它在受到紫外线激发后会放出绿色荧光。
这两种现象都源于生物体内的化学反应，但机制有些不同。
生物发光主要是通过氧化还原反应产生的，而生物荧光则是通过一系列的电子跃迁来实现的。
不同的生物体和物种会产生不同种类的发光和荧光现象，其中一些种类已经被广泛研究和应用。
生物发光和生物荧光的应用在生命科学领域中，生物发光和荧光被广泛应用于生物成像、生命活动监测、基因表达分析等方面。
比如，在药物研发中，科学家可以利用荧光蛋白标记药物或生物分子，以跟踪其运动、变化和互动情况，从而了解它们的作用机理和效果。
在生物医学领域中，医生可以利用生物荧光成像技术来观察患者内部器官或组织的情况，实现无损检测。
生物荧光成像技术的发展随着生命科学研究的推进，生物荧光成像技术也在不断发展。
其中一个重要的进展是发展了基于转录调控的荧光标记体系，被称为“基因表达报告体系”。
这种体系通过将荧光蛋白的表达和特定基因的转录调控相结合，可以实现高效的荧光标记，并可以跟踪和研究不同基因在细胞和组织中的表达和调控。
同时，随着成像技术和成像设备的不断改进，比如：双光子激发荧光显微镜、荧光内窥镜等，生物荧光成像技术也变得更加精细和准确。
总结生物发光和生物荧光是生物学研究中的两个重要现象。
小动物活体成像技术的应用
小动物活体成像技术的应用小动物活体成像技术（Small Animal In Vivo Imaging）是一种现代的影像学方法，用于在活体动物中观察和研究生物过程的组织、细胞和分子水平的变化。
它通过小动物活体成像技术，使用各种成像技术来实时监测和量化动物体内的生物学活动，为疾病的研究和药物开发提供了重要的工具和信息。
小动物活体成像技术的发展，得益于影像学领域的不断创新与进步。
目前，常用的小动物活体成像技术主要包括可见光成像（Optical Imaging），核素成像（PET/SPECT），核磁共振成像（MRI），计算机断层扫描（CT）和超声成像（Ultrasound）等多种方法，每种方法都有其特点和适用范围。
可见光成像是小动物活体成像技术中应用较广泛的一种方法。
它包括生物发光和荧光成像两种技术。
生物发光是利用转基因技术，在实验动物体内植入荧光素酶基因，该基因与底物荧光素发生生化反应产生光信号，通过相应的成像仪器可以观察到发光信号。
荧光成像则是利用荧光探针或标记物，如荧光蛋白报告基因（如GFP、RFP）、荧光染料（如FITC、Cy5）或量子点（Quantum Dots），通过激发光和发射光的相互作用来实现成像。
生物体内的荧光信号可以被捕获和记录下来，并通过专业的成像软件进行分析和定量。
生物发光和荧光成像的步骤大致相似：在实验动物体内标记目标细胞或组织，可以通过注射荧光素酶基因、荧光蛋白报告基因等方法实现。
然后，对标记物进行筛选和鉴定，确保选择到有效的标记细胞或组织。
接下来，在适当的时间点注射相应的底物或荧光探针，观察并记录荧光信号的变化。
然后，使用相应的成像仪器进行成像，并通过图像分析软件对获得的图像进行处理和解读。
在小动物成像仪可见光成像分析中，除了生物发光和荧光成像外，还有一种常见的应用是反射式成像。
这种成像方法可以在实验动物皮肤表面捕获反射的光信号，并通过光学技术进行分析，提供组织深度、血液灌注、氧饱和度等信息。
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骨肉瘤转移机理研究
第九人民医院
28
肿瘤转移
29
乳腺癌转移实验
中科院健康所 2011
30
利用转基因技术自发肿瘤的研 MYC inactivation uncovers pluripotent differentiation and 究 tumour dormancy in hepatocellular cancer
等等…
19
体内药物分析的生物发光检测
1x106 ，PC-3M-Luc肿瘤细胞，皮下注射 14天 小鼠 #6 21天 28天 35天
处理方式
细胞数
n=7
无 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
平 均 相 对 光 单 位 对 数 值
平均肿瘤体积
17
生物发光的应用
18
活体成像技术的主要应用
• 标记细胞 • 癌症及药物研究
• 干细胞, 免疫 • 细胞凋亡
• 标记病毒, DNA, RNA • 病毒学及基因治疗
• siRNA研究的应用
• 标记基因
• 转基因动物模型 • 组织特异性基因表达
• 标记细菌 • 其它… 蛋白质相互作用、代谢、发育、内分泌学，
n=6/7
丝裂酶素治疗组 （小鼠#4）2mg/kg 静注，3次/周， 第二、三周
生物发光强 度
n=3/5
Exp #081 雄性nu/nu 21 CR n=13,5,7
肺癌模型
A549 原位肺癌 NIH 2010
22
乳腺癌原位接种
PNAS 2010,10
23
原位胰腺癌模型
2010
24
白血病模型
3
视野连续可调，自动聚焦
3.5 cm 75 cm
焦距(cm) 3.5 75
分辨率(µ m) 50 320
4
荧光成像配件
• 3种荧光激发光源配件
– 环状照射装置 – 鱼尾型照射装置 – 鹅颈管照射装置
• 散射光滤光片 • 90 W 钨灯光源 • 200 - 1100 nm可选滤光片
5
麻醉机组成
麻醉气体蒸发器 气体流量计
丝裂酶素 3.6x106 治疗
20 雄性SCID小鼠
生物发光检测体内药物治疗的复发作用
5x105 ，PC3M-Luc-C6肿瘤细胞，原位前列腺癌
1周
生理盐水对照组 （小鼠#40） 静注，3次/周， 第二、三周
3周
5周
7周
8周
对照组于第 五周结束观 察
n=13
5-Fu治疗组 （小鼠#38）100 mg/kg 静注，1次/周， 第二、三、四周
标记癌细胞 标记细 菌
基因、细胞、活体都可被荧光素酶基因标 记。
标记转基因鼠
11
荧光素酶的表达
启动子
体内表达
将荧光素酶基因连接于启动子下游，稳定整 合到细胞染色体内，使荧光素酶得到持续表 达。
外源注入 底物 活跃细胞
染色体 体内发光
12
标记细胞发光强度与定量分析
13
生物发光活体成像方面的灵敏度
活体生物发光和荧光成像技术 应用介绍
1
仪器结构与组成
2
NightOWLⅡLB983
新一代分子成像设备 NightOWL ⅡLB983 具有 强大的活体组织发光影像 分析能力。无论是对BLI 荧光素酶系统产生的弱光 信号还是BFI荧光染料或 荧光蛋白所发出的荧光影 像信号，NightOWL ⅡLB983都能为使用者提 供可靠的清晰的检测结果 并配有强大的科学分析软 件对数据进行处理。
输送管道
诱导麻醉箱
6
indiGo
TM
– 功能强大的软件
–祛除宇宙射线和 背景 –视野校准 –定量分析功能 –原始数据与处理 后数据分开存档 （根据GLP规则） –三种图像输出模 式
伪彩图
灰度图
真彩图
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成像原理与特点
8
目前的活体生物体内成像技术和方向
• 可见光及荧光成像 --生物发光 （Bioluminescence） 与荧光（Fluorescence） • 正电子衍射成像（Positron-Emission Tomography，PET） --放射性标记葡萄糖导入体内，被分裂旺盛组织吸收，常用于检测肿瘤的 良恶性 • 单光子衍射(Single-Photon-Emission Computed Tomography,SPECT) • 超声（Ultrasound） -- 物理学方法 • 计算机断层摄影（Computed Tomography ，CT） --断层扫瞄技术，X-ray的衍生，物理学方法 • 核磁共振（Magnetic Resonance Imaging ，MRI） --包括功能性核磁共振（Functional MRI，fMRI）, 心血管核磁共振 （Cardio-vascular MRI ，cMRI），等等
6
7
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接种后周数
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U87 脑胶质瘤成像
cancer research 2011,8
PTA of U87 human gliomas in mouse brains. A, representative bioluminescence images of nude mice bearing U87-TGL tumors with different treatments (see Materials and Methods).
9
几种常用活体体内成像技术的比较
操作简单
Ultrasound 超声
Optical Imaging 可见光成像
操作复杂
CT
MRI 核磁共振
PET/SPET 正电子衍射
结构成像
功能成像
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活体生物发光成像系统原理
理想的光源：萤火虫荧光素酶（luciferase）
●遗传学标记 ●实时、原位 ●多波长检测
小鼠皮下总计1000个 细胞或每mm² 20个细胞可以很容 易地被检测到，探测极限是一丛150 – 250个细胞.
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生物发光微孔板检测的灵敏度
在微孔细胞板中少到10 个细胞可以检测到.
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如何提高灵敏度
Nature Medicine 2011年1月
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生物发光光子数与肿瘤体积呈正相关
1x106 ，PC-3M-Luc肿瘤细胞 ，皮下注射
2×105 Arf-/-p185+luc+LICs. 2011年9月 BLOOD
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BCL6 enables Ph1 acute lymphoblastic leukaemia cells to survive BCR–ABL1 kinase inhibition 2011年5月 NATURE
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