高光譜熒光成像技術在活體醫(yī)學上的應用

隨著科學技術的發(fā)展，分子成像技術已經(jīng)與包括遺傳工程模式動物在內(nèi)的動物研究策略有效地結合在一起。這項技術可以實現(xiàn)無損傷的在動物體內(nèi)評價代表治療效果的分子和細胞事件，因此可以利用同一組動物進行長時間的研究，從而大大減少了實驗動物的使用數(shù)量。更為有力的是，由于一系列的數(shù)據(jù)來源于同一只或同一組動物，以自身作為內(nèi)對照，大大增加了數(shù)據(jù)的可靠性。

通過活體動物體內(nèi)成像系統(tǒng)，可觀測到疾病或癌癥的發(fā)展進程以及藥物治療所產(chǎn)生的反應，并可用于病毒學研究、構建轉基因動物模型、siRNA研究、干細胞研究、蛋白質相互作用研究以及細胞體外檢測等領域。

1 癌癥與抗癌藥物研究

直接快速地觀察各種癌癥模型中腫瘤的生長和轉移，并可對癌癥治療中癌細胞的變化進行實時觀測和評估?；铙w生物發(fā)光成像能夠無創(chuàng)傷地定量檢測小鼠整體的原位瘤、轉移瘤及自發(fā)瘤。精諾真生物成像技術提高了檢測的靈敏度，即使微小的轉移灶也能被檢測到(可以檢測到體內(nèi)100個細胞的微轉移)。目前已商品化的腫瘤細胞株包括:前列腺癌，黑色素瘤，乳腺癌，肺癌，子宮頸癌和結腸癌等BiowareTM細胞系模型。Rehemtulla等人采用攜帶前體藥物轉化酶和酵母胞咯吮脫氨酶基因的腺病毒載體，運用活體成像技術與磁共振成像技術(magnetic resonance imaging, MRI)研究了其作為轉基因治療藥物在癌癥治療中的效果。

2 免疫學與干細胞研究

    將熒光素酶標記的造血干細胞移植人脾及骨髓，可用于實時觀測動物活體體內(nèi)干細胞造血過程的早期事件及動力學變化。有研究表明，應用帶有生物發(fā)光標記基因的小鼠淋巴細胞，檢測放射及化學藥物治療的效果，尋找在腫瘤骨髓轉移及抗腫瘤免疫治療中復雜的細胞機制。應用可見光活體成像原理標記細胞，建立動物模型，可有效地針對同一組動物進行連續(xù)的觀察，節(jié)約動物樣品數(shù)，同時能更快捷地得到免疫系統(tǒng)中病原體的轉移途徑及抗性蛋白表達的改變。

近年來，不少報道介紹了應用活體成像技術研究免疫細胞遷移的實例。其一是利用人多發(fā)性硬化癥的小鼠模型觀察實驗性自免疫腦脊髓炎中自身抗原反應性CD4+T細胞的遷移模式。包含熒光素酶和GFP基因的逆轉錄病毒載體處理特定的CD4+T細胞。首先用流式細胞儀分選GFP發(fā)光的細胞，然后分別注人對照及實驗組動物體內(nèi)。熒光素酶在活體的發(fā)光情況表明標記的CD4+T細胞遷移至中樞神經(jīng)系統(tǒng)，而GFP可以進一步用于這些細胞的組織學定位。雙功能報告基因的應用極大地方便了特定免疫細胞的篩選及遷移研究。

3 細胞凋亡

在正常生理條件下，細胞增殖和凋亡是嚴格協(xié)調(diào)的，這種平衡一旦打破，就會導致一系列的疾病，包括AIDS、神經(jīng)退行性疾病、脊髓炎綜合癥、缺血/再灌注損傷及腫瘤等等。當熒光素酶與抑制多肽以融合蛋白形式在哺乳動物細胞中表達，產(chǎn)生的融合蛋白無熒光素酶活性，細胞不能發(fā)光，而當細胞發(fā)生凋亡時，活化的caspase-3在特異識別位點切割去掉抑制蛋白，恢復熒光素酶活性，產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，由此可用于觀察活體動物體內(nèi)的細胞凋亡相關事件。

4標記病毒

1. 病毒侵染

以熒光素酶基因標記的HSV-1病毒為例，可觀察到HSV-1病毒對肝臟、肺、脾及淋巴結的侵和病毒從血液系統(tǒng)進人神經(jīng)系統(tǒng)的過程。多種病毒已被熒光素酶標記，用于觀察病毒對機體的侵染過程。

2. 基因治療

基因治療包括在體內(nèi)將一個或多個感興趣的基因及其產(chǎn)物安全而有效地傳遞到靶細胞。目前，基因治療主要是以病毒做載體，可應用熒光素酶基因作為報告基因用于載體的構建，觀察目的基因是否能夠在實驗動物體內(nèi)持續(xù)高效和組織特異性表達。這種非侵人方式具有容易準備、低毒性及免疫反應輕微等優(yōu)點。熒光素酶基因也可以插入脂質體包裹的DNA分子中，用來觀察脂質體為載體的DNA運輸和基因治療情況。

5標記細菌

    利用細菌熒光素酶基因可以分別標記革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌。常用的幾十種細菌都已被標記，用來進行細菌侵染和抗生素藥物的研究。

    細菌侵染研究：可以用標記好的革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌侵染活體動物，觀測其在動物體內(nèi)的繁殖部位、數(shù)量變化及對外界因素的反應。

抗生素藥物研究：利用標記好的細菌在動物體內(nèi)對藥物的反應，醫(yī)藥公司和研究機構可用這種成像技術進行藥物篩選和臨床前動物實驗研究。近年來，國際上大型制藥公司紛紛將精諾真技術在動物體內(nèi)的實驗結果作為FDA(美國食品和藥品檢驗局)藥物申報材料中非常重要的臨床前動物實驗部分。

6 基因表達和蛋白質相互作用

1. 組織特異性基因表達

熒光素酶是一類生物發(fā)光酶，其中的Renilla熒光素酶和Firefly熒光素醉分別識別不同的底物。一種細胞可被這兩種熒光素酶標記：Renilla熒光素酶基因由一組成性穩(wěn)定表達的啟動子驅動，作為內(nèi)參，反應細胞數(shù)量的變化；Firefly熒光素酶基因由需要研究的組織特異性啟動子驅動。這樣Firefly熒光素酶發(fā)光信號的變化，在消除細胞數(shù)量變化的影響后就可反應特定的啟動子在動物體內(nèi)的表達活性。

2. 蛋白質相互作用

觀察細胞中或活體動物體內(nèi)兩種蛋白質的相互作用，是將熒光素酶基因分成兩段，分別連接所研究的兩種蛋白之一的編碼DNA，然后導入細胞或動物體內(nèi)表達為融合蛋白。當兩種蛋白有強相互作用時，表達的熒光素酶兩部分相互靠近形成有活性的熒光素酶，在有底物存在時出現(xiàn)生物發(fā)光，反映出所研究的兩種蛋白存在相互作用。應用此原理亦可用于研究細胞信號傳導途徑。

3. 阻斷RNA

通過對比生物發(fā)光的變化，驗證在成年小鼠體內(nèi)，注射雙鏈siRNA可以特異地阻遏基因表達。

7 轉基因動物模型

    為研究目的基因是在何時、何種刺激下表達，將熒光素酶基因插人目的基因啟動子的下游，并穩(wěn)定整合于實驗動物染色體中，建立轉基因動物模型。利用其表達產(chǎn)生的熒光素酶與底物作用產(chǎn)生生物發(fā)光，反應目的基因的表達情況，從而實現(xiàn)對目的基因的研究。發(fā)育生物學方面可用于研究動物發(fā)育過程中特定基因的時空表達情況，藥理學研究方面可觀察藥物誘導特定基因表達，以及其它生物學事件引起的相應基因表達或關閉。如圖3所示。

研究者根據(jù)研究目的，將靶基因、靶細胞、病毒及細菌進行熒光素酶標記，同時轉人動物體內(nèi)形成所需的疾病模型，包括腫瘤、免疫系統(tǒng)疾病、感染疾病等等。可提供靶基因在體內(nèi)的實時表達和對候選藥物的準確反應，還可用來評估候選藥物和其它化合物的毒性，為藥物在疾病中的作用機制及效用提供方法。

8 藥效評價

對于一些需化學方法進行標記的物質，比如化學合成藥物、納米藥物及一些肽段等，只能通過化學合成的方法與熒光染料進行偶連，檢測熒光的發(fā)光情況，從而實現(xiàn)活體示蹤的目的。目前應用較多的是對于一些腫瘤靶向藥物在活體內(nèi)靶點的識別、研究蛋白質-蛋白質相互作用以及跟蹤化學藥物在體內(nèi)的分布及代謝情況等。例如用CY5.5及CY7標記RGD肽段，研究其在尾靜脈注射不同時間里對移植膠質瘤中細胞粘附分子Intergrin的特異性識別過程。在腫瘤藥物相關研究中，用CY5.5標記兩種脫氧核糖類似物CY5.5-2DG及CY5.5-NHS均可在小鼠活體水平上直接觀測到其對腫瘤的特異性識別作用。

9 監(jiān)測器官移植

生物發(fā)光成像在器官移植的監(jiān)測方面得到很好的應用。其一是監(jiān)測與器官移植密切相關的基因表達情況，如肝移植中的血紅素加氧酶；其二是利用熒光素酶的標記和示蹤功能來揭示移植反應中移植物的動態(tài)表現(xiàn)包括排斥和存活情況等。Chen 等將熒光素酶轉基因鼠( FVB/NJ- luc)的胰腺移植至野生FVB/NJ 或異源BALB/c 鏈唑霉素誘導糖尿病鼠體內(nèi)，利用生物發(fā)光系統(tǒng)得到的發(fā)光信號來指示體內(nèi)移植物存活情況，并與體內(nèi)血糖水平及移植位點組織學結果進行相關性分析，可以得到有價值的信息。

圖1 不同熒光染料的激發(fā)光譜曲線

圖2A 麻醉裸鼠四種染料試制的分布/ 圖2B 四種染料試制混合注射到裸鼠體內(nèi)觀測試制分布

圖3  注射500 pmol Cy7、Cy7-c(RGDyK)、Cy7-E[c(RGDyK)]2、 or Cy7-E{E[c(RGDyK)]2}2的皮下U87MG腫瘤小鼠在2min、30min、1h、2h、4h、24h時間內(nèi)的全身NIR熒光成像

圖4（A）注射Cy7-RGD 500pmol的U87MG腫瘤小鼠體內(nèi)NIR熒光成像，實驗組和對照組均注射200μg/小鼠c(RGDyK)，箭頭代表腫瘤的位置

（B）在2小時后無創(chuàng)成像后解剖的U87MG腫瘤和主要器官和組織的代表性熒光圖像。從左到右：U87MG腫瘤，肌肉，肝臟，腎臟和腸