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美国LICOR公司的Pearl Imager活体成像系统结合了传统荧光技术以及近红外荧光的特点,辅助于高特异性和高灵敏度的探针,实现对于活体实验小动物的成像,并在此基础上,逐步应用于分子靶点和临床疾病等的研究。
随着医学及生物学研究的飞速发展,越来越多的科研人员希望将分子及细胞生物学技术从传统的体外研究延伸到活体动物体内,以期直接监控活体生物体内的细胞活动和基因表达,有效地研究观测转基因动物生理过程,譬如活体动物体内肿瘤的生长及转移、感染性疾病发生发展过程等。活体动物光学成像技术作为新兴的成像技术以其操作简单、结果直观、灵敏度高、成本低等特点,成为活体动物成像的一种理想方法。
活体动物体内光学成像分为生物发光和荧光两种技术。生物发光是利用荧光素酶基因标记目的核酸和细胞,在ATP和氧气存在时,通过荧光素酶催化经过腹腔或者静脉注射的底物荧光素,实现发光过程。所以生物发光只有在活细胞中才具有发光现象;而荧光技术则是采用荧光报告基团标记多肽、抗体、小分子药物,在外界光源的激发下产生荧光。虽然目前的活体动物体内成像以生物发光应用居多,但是就人类疾病临床追踪治疗以及后续的相关应用方面,生物发光存在着自身的缺陷。和荧光成像相比,生物发光远远弱于荧光信号,而且光在动物组织内的传播会被散播和吸收,这就意味着应用生物发光技术的检测仪器,需要高灵敏度的检测仪器,成本非常昂贵。同时,生物发光几乎都是酶-底物类型的反应,需要涉及不同种类转基因细胞株或转基因动物模型,复杂程度较高,所以和荧光技术相比,更容易受基质中的成分影响(通常是淬灭)。而传统荧光技术作为临床研究潜在的有力工具,自身的不足在一定程度上阻碍了在活体动物体内成像的应用:
1. 自发荧光干扰
在以往的可见光激发光源下,活体小动物通常会产生较强的自发荧光,这些自发荧光主要是来源于皮毛(黑色素)和血液(血红蛋白)。
2. 光的组织吸收特性
荧光成像时,光在动物组织内传播时会被折射和吸收,而且不同类型的细胞和组织对光子的吸收能力不同。这就直接导致了特异荧光信号的衰减,无法捕获完整的活体动物体内的真实信息。
3. 灵敏度较低
检测过程中由于活体小动物产生的自发非特异性荧光会影响到检测灵敏度,特别是当发光细胞位于组织内部,则需要较高能量的激发光源,与此同时也就会产生较强的背景噪音,导致检测灵敏度下降。
针对以上传统荧光成像技术的不足,美国LICOR公司基于红外荧光检测技术开发了Pearl Imager活体成像系统,其独特的近红外荧光成像优势极大推广了活体动物荧光检测的应用发展:
* 极低的自发荧光干扰
通常活体动物的自发荧光来源于皮毛(黑色素)和血液(血红蛋白),而黑色素的发光光线波长峰值一般在500-520nm左右,血红蛋白的发光光线波长峰值一般在504-540nm左右,这都说明在可见光波长荧光下进行成像检测,活体动物自发产生的非特异荧光不可避免。但是在大于600nm的红光、近红外波段,黑色素、血红蛋白等物质的自发非特异荧光极低,所以采用近红外荧光作为外源激发光源,活体内物质的自发荧光对于成像干扰小,背景噪音低,灵敏度高,而Pearl Imager正是这样的活体成像系统。
* 良好的组织渗透性
生物组织在可见光范围(350~600 nm)及在红外线范围(>900nm)有较高的光吸收,而在近红外区域(600~900nm)生物分子的光吸收降到*低,大量的光可以穿过组织和皮肤而被检测到。Pearl ImagerTM 采用近红外荧光检测系统,使得组织渗透性深度从原来的几毫米上升到几厘米,而且红光的穿透性在体内比蓝绿光的穿透性要好得多,尤其以近红外荧光为观测生理指标的*佳选择。
* 无毒性和放射性,游离荧光染料清除快
近红外荧光染料基团对小动物活体无危害,不具有放射性,而且游离的荧光基团可以在短时间内在动物体内淬灭清除,方便后续*优化检测。所以采用Pearl Imager活体成像系统可以真正无损伤地研究活体实验动物体内的各种生理指标,数据结果真实可靠。
由此可见,近红外荧光自身固有的特点恰好弥补了传统荧光技术的弱点,另外利用荧光技术进行活体动物体内成像本身又具有诸多的优势,主要表现在:
1. 基团标记能力强
目前荧光标记物种类繁多,包括荧光蛋白、荧光分子、量子点等,可以与基因、多肽、抗体等生物分子标记,使用范围广。同时不同的荧光蛋白或染料还可对样本进行多重标记,同时成像。Pearl Imager活体成像系统可以进行双重标记,双通道同时检测,并且相隔100nm的检测波长保证了数据采集不互相干扰,保证了成像结果真实有效。
2. 信号强度大
由于荧光是在外界光源激发下产生的能量转移现象,其信号更强,持续时间更长,反映更多的活体信息,并且对检测器的要求相对较低,节省实验成本。
3. 成像材料广
由于荧光是基于物理能量转移原理,对成像样本的生理状态要求较低。Pearl Imager可以实现活体、尸体、尸解组织器官样本的光学成像。
4. 快速成像,每次检测时间仅为毫秒级,同时可检测多个动物
Pearl Imager活体成像系统可以在30秒内(一般20秒)完成对活体动物白光,双通道荧光(700nm和800nm)的成像,并且自动生成双通道的叠加图象,极大减少对于活体的伤害,获得更为丰富真实的信息图片。 美国LICOR公司的Pearl Imager小动物活体成像系统由于采用了近红外荧光检测技术,所以在秉承了荧光技术传统特点的同时又弥补了原先技术的不足,推动了荧光成像技术在临床疾病的研究。
另外,LICOR公司针对于Pearl Imager活体成像系统,还推出了一系列相应的荧光染料基团和探针,极大方便了广大研究人员的应用研究。
1. IRDye® 800CW 2-DG Optical Probe
癌细胞与正常细胞相比通常会表现出代谢异常,如糖酵解过程异常。研究人员以往利用葡萄糖的类似物,如18F-2-deoxy-D-glucose (18FDG)进行正电子发射断层扫描(PET)观察原癌的发生和转移的研究。但是在利用活体小动物体进行肿瘤研究时候,带放射性标记的2-脱氧-D-葡萄糖显然不是一个合适的标记物,而IRDye® 800CW 2-DG Optical Probe作为荧光光学成像介质则可以成为一个有效的替代品,直接应用于实验动物肿瘤生物学的研究中。IRDye® 800CW 2-DG Optical Probe探针的*大吸收波长为774nm,*大发射波长为789nm,结合Pearl ImagerTM成像系统可以从事相关的糖酵解过程的观察研究。而且这种光学探针的有效性在多种肿瘤细胞中已经得到有效的验证,如A431(图1.),SW620,22Rv1,PC3M-LN4以及3T3-L1。
图1 . 利用Pearl Imager活体成像系统结合10 nmol的IRDye® 800CW 2-DG探针检测A431皮下肿瘤的示意图(显示的探针信号为小鼠白光的灰度图和伪彩的合并图)
2. IRDye® BoneTag® Optical Probe
IRDye® BoneTag® 光学探针分为IRDye 680 Bone Tag 以及 IRDye 800CW Bone Tag两种(图2.),探针的*大吸收波长分别为676nm和774nm,*大发射波长分别为698nm和789nm,分别对应于Pearl ImagerTM 系统的700nm通道和800nm通道。这种探针的原理是将钙螯合化合物与近红外荧光基团IRDye 680或者IRDye 800CW 结合,主要用于动脉钙化,骨骼生长,骨骼形态异常等研究。近红外荧光基团的结合并不会影响钙螯合物的结合功能,相反,由于结合了近红外染料增强了研究效率。
图2. Pearl Imager获得的通过静脉注射IRDye 680 Bone Tag探针50小时后的影像
3. IRDye® 800CW EGF Optical Probe
表皮生长因子受体(EGFR)是在表皮细胞中发现的酪氨酸激酶受体家族中的成员,可以和表皮生长因子(EGF)特异结合。在很多肿瘤细胞中,经常会在细胞表面观察到异常高含量的表皮生长因子受体(EGFR)。因此,利用表皮生长因子(EGF)结合情况可以观察体内体外的肿瘤发生发展情况。与IRDye® BoneTag® Optical Probe 类似,IRDye® 800CW EGF Optical Probe是将表皮生长因子(EGF)和红外荧光染料IRDye 800CW 结合所形成探针(图3.)。
图3. 利用不同的荧光标记物分析两种细胞系中超表达表皮生长因子受体(EGFR)
a. 利用IRDye 800CW EGF的结果;
b. 利用IRDye 800CW的结果;
c. 使用另一种探针的结果。
以上三张图可以表明,IRDye 800CW EGF探针的效果明显要优于竞争产品,而b图同样表明,IRDye 800CW对于表皮生长因子(EGF)的功能没有任何影响(http://www.licor.com/bio/IRDye/800CW_EGF_op_probe.jsp)。
4. IRDye® 800CW Carboxylate
这种探针介质是LICOR公司开发的针对于近红外荧光基团标记物的对照染料介质,它不会影响其他物质的功能,是一种非常有效的质控介质。
综上所述,体内荧光成像技术可以展示活体实验小动物中荧光基团的荧光发射状况,结合日益完善的各种荧光探针,使其正在成为医学基础研究和临床疾病应用之间联系的重要枢纽。美国LICOR公司的Pearl Imager活体成像系统结合了传统荧光技术以及近红外荧光的特点,辅助于高特异性和高灵敏度的探针,实现对于活体实验小动物的成像,并在这基础上,正逐步应用于分子靶点和临床疾病的研究,癌症的发生发展,药物治疗的效果,还进一步应用于病毒学,siRNA,干细胞研究,转基因动物模型构建,蛋白质相互作用以及细胞体外检测等领域。
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