顯微鏡：活體生物熒光成像技術(shù)
2020-09-04 09:31:30
一、 技術(shù)簡(jiǎn)介
活體生物熒光成像技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)分子、基因表達(dá)的分析檢測(cè)系統(tǒng)。它由敏感的CCD及其分析軟件和作為報(bào)告子的熒光素酶以及熒光素組成。利用靈敏的檢測(cè)方法，讓研究人員能夠直接監(jiān)控活體生物體內(nèi)腫瘤的生長(zhǎng)及轉(zhuǎn)移、感染性疾病發(fā)展過(guò)程、特定基因的表達(dá)等生物學(xué)過(guò)程。傳統(tǒng)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方法需要在不同的時(shí)間點(diǎn)宰殺實(shí)驗(yàn)動(dòng)物以獲得數(shù)據(jù)，得到多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。相比之下，可見光體內(nèi)成像通過(guò)對(duì)同一組實(shí)驗(yàn)對(duì)象在不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行記錄，跟蹤同一觀察目標(biāo)（標(biāo)記細(xì)胞及基因）的移動(dòng)及變化，所得的數(shù)據(jù)更加真實(shí)可信。因其操作極其簡(jiǎn)單、所得結(jié)果直觀、靈敏度高等特點(diǎn)，在剛剛發(fā)展起來(lái)的幾年時(shí)間內(nèi)，已廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)研究及藥物開發(fā)等方面。
二、原理
活體生物熒光成像技術(shù)是指在小的哺乳動(dòng)物體內(nèi)利用報(bào)告基因-熒光素酶基因表達(dá)所產(chǎn)生的熒光素酶蛋白與其小分子底物熒光素在氧、Mg2+離子存在的條件下消耗ATP發(fā)生氧化反應(yīng)，將部分化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽饽茚尫?。然后在體外利用敏感的CCD設(shè)備形成圖像。熒光素酶基因可以被插入多種基因的啟動(dòng)子（promoter），成為某種基因的報(bào)告基因，通過(guò)監(jiān)測(cè)報(bào)告基因從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)基因的監(jiān)測(cè)。
生物熒光實(shí)質(zhì)是一種化學(xué)熒光，螢火蟲熒光素酶在氧化其特有底物熒光素的過(guò)程中可以釋放波長(zhǎng)廣泛的可見光光子，其平均波長(zhǎng)為560nm（460～630nm），這其中包括重要的波長(zhǎng)*過(guò)600nm的紅光成分。在哺乳動(dòng)物體內(nèi)血紅蛋白是吸收可見光的主要成分，能吸收中藍(lán)綠光波段的大部分可見光；水和脂質(zhì)主要吸收紅外線，但其均對(duì)波長(zhǎng)為590～800nm的紅光至近紅外線吸收能力較差，因此波長(zhǎng)*過(guò)600nm的紅光雖然有部分散射消耗但大部分可以穿透哺乳動(dòng)物組織被敏感的CCD camera檢測(cè)到。
三、操作方法
熒光標(biāo)記的選擇
活體生物熒光成像主要有三種標(biāo)記方法：熒光蛋白標(biāo)記、熒光染料標(biāo)記和量子點(diǎn)標(biāo)記。熒光蛋白適用于標(biāo)記腫瘤細(xì)胞、病毒、基因等。通常使用的是GFP、EGFP、RFP（DsRed）等。熒光染料標(biāo)記和體外標(biāo)記方法相同，常用的有Cy3、Cy5、Cy5.5及Cy7，可以標(biāo)記抗體、多肽、小分子藥物等。量子點(diǎn)標(biāo)記作為一種新的標(biāo)記方法，是有機(jī)熒光染料的發(fā)射光強(qiáng)的20倍，穩(wěn)定性強(qiáng)100倍以上，具有熒光發(fā)光光譜較窄、量子產(chǎn)率高、不易漂白、激發(fā)光譜寬、顏色可調(diào)，并且光化學(xué)穩(wěn)定性高，不易分解等諸多優(yōu)點(diǎn)。量子點(diǎn)是一種能發(fā)射熒光的半導(dǎo)體納米微晶體，尺寸在100nm以下，它可以經(jīng)受反復(fù)多次激發(fā)，而不像有機(jī)熒光染料那樣容易發(fā)生熒光淬滅。
但是不同熒光波長(zhǎng)的組織穿透力不同，如圖1所示，各種波長(zhǎng)的光對(duì)小鼠各種器官的透過(guò)率，都在波長(zhǎng)>600nm時(shí)顯著增加。而如圖2所示，在650nm-900nm的近紅外區(qū)間，血紅蛋白、脂肪和水對(duì)這些波長(zhǎng)的光的吸收都保持在一個(gè)比較低的水平。因而，選擇激發(fā)和發(fā)射光譜位于650nm-900nm的近紅外熒光標(biāo)記（或至少發(fā)射光譜位于該區(qū)間），更有利于活體光學(xué)成像，特別是深層組織的熒光成像。（推薦文獻(xiàn)： Nature Method, 2005, 2: 12 如何選擇合適的熒光蛋白； Science, 2009, 324: 804 錢永建教授研究成果-近紅外熒光蛋白，非常適合活體生物熒光成像）。
活體生物熒光成像主要有三種標(biāo)記方法：熒光蛋白標(biāo)記、熒光染料標(biāo)記和量子點(diǎn)標(biāo)記。熒光蛋白適用于標(biāo)記腫瘤細(xì)胞、病毒、基因等。通常使用的是GFP、EGFP、RFP（DsRed）等。熒光染料標(biāo)記和體外標(biāo)記方法相同，常用的有Cy3、Cy5、Cy5.5及Cy7，可以標(biāo)記抗體、多肽、小分子藥物等。量子點(diǎn)標(biāo)記作為一種新的標(biāo)記方法，是有機(jī)熒光染料的發(fā)射光強(qiáng)的20倍，穩(wěn)定性強(qiáng)100倍以上，具有熒光發(fā)光光譜較窄、量子產(chǎn)率高、不易漂白、激發(fā)光譜寬、顏色可調(diào)，并且光化學(xué)穩(wěn)定性高，不易分解等諸多優(yōu)點(diǎn)。量子點(diǎn)是一種能發(fā)射熒光的半導(dǎo)體納米微晶體，尺寸在100nm以下，它可以經(jīng)受反復(fù)多次激發(fā)，而不像有機(jī)熒光染料那樣容易發(fā)生熒光淬滅。
但是不同熒光波長(zhǎng)的組織穿透力不同，如圖1所示，各種波長(zhǎng)的光對(duì)小鼠各種器官的透過(guò)率，都在波長(zhǎng)>600nm時(shí)顯著增加。而如圖2所示，在650nm-900nm的近紅外區(qū)間，血紅蛋白、脂肪和水對(duì)這些波長(zhǎng)的光的吸收都保持在一個(gè)比較低的水平。因而，選擇激發(fā)和發(fā)射光譜位于650nm-900nm的近紅外熒光標(biāo)記（或至少發(fā)射光譜位于該區(qū)間），更有利于活體光學(xué)成像，特別是深層組織的熒光成像。（推薦文獻(xiàn)： Nature Method, 2005, 2: 12 如何選擇合適的熒光蛋白； Science, 2009, 324: 804 錢永建教授研究成果-近紅外熒光蛋白，非常適合活體生物熒光成像）。
活體生物熒光成像CCD的選擇
選擇適當(dāng)?shù)腃CD鏡頭，對(duì)于體內(nèi)可見光成像是非常重要的。如何選擇活體熒光性價(jià)比*高的CCD呢？CCD有一些重要的參數(shù)：
1) CCD像素。CCD像素決定成像的圖片質(zhì)量，像素越高，成像質(zhì)量越好。由于熒光背景光較強(qiáng)，產(chǎn)生非特異性雜光干擾明顯，需要配有高分辨率CCD的相機(jī)。
2) 前照式還是背照式CCD。一般而言，背照式CCD具有更高的量子效率，但是只有在檢測(cè)極弱光信號(hào)優(yōu)勢(shì)明顯（如活體生物發(fā)光成像），但在強(qiáng)光檢測(cè)中與前照式CCD無(wú)本質(zhì)差別，還更容易光飽和，并且其成本較高的弱勢(shì)使其不屬于熒光檢測(cè)常規(guī)要素。
3) CCD溫度。制冷CCD分為兩種：恒定低溫制冷CCD和相對(duì)低溫制冷CCD。恒定低溫制冷CCD擁有穩(wěn)定的背景，可以進(jìn)行背景扣除；而相對(duì)低溫制冷CCD由于背景不穩(wěn)定，一般不能進(jìn)行有效的背景扣除。CCD制冷溫度越低，產(chǎn)生的暗電流越小，如圖3所示，當(dāng)制冷溫度達(dá)到-29℃時(shí)，產(chǎn)生的暗電流已經(jīng)低至0.03e/pixel/s。由于儀器自身產(chǎn)生的噪音主要由暗電流熱噪音和CCD讀取噪音組成，而目前CCD讀取噪音*低只能降至2e rms；因而更低溫度的CCD并不能明顯的降低背景噪音，而成本卻極大提高。
4) CCD讀取噪音和暗電流。CCD讀取噪音和暗電流熱噪音是成像系統(tǒng)產(chǎn)生背景噪音的主要因素，但是在熒光成像中，*主要的背景噪音卻是來(lái)自于熒光背景光。熒光成像信噪比的改善主要依賴于熒光背景光的有效控制和背景扣除技術(shù)（圖4）。 ‘
選擇適當(dāng)?shù)腃CD鏡頭，對(duì)于體內(nèi)可見光成像是非常重要的。如何選擇活體熒光性價(jià)比*高的CCD呢？CCD有一些重要的參數(shù)：
1) CCD像素。CCD像素決定成像的圖片質(zhì)量，像素越高，成像質(zhì)量越好。由于熒光背景光較強(qiáng)，產(chǎn)生非特異性雜光干擾明顯，需要配有高分辨率CCD的相機(jī)。
2) 前照式還是背照式CCD。一般而言，背照式CCD具有更高的量子效率，但是只有在檢測(cè)極弱光信號(hào)優(yōu)勢(shì)明顯（如活體生物發(fā)光成像），但在強(qiáng)光檢測(cè)中與前照式CCD無(wú)本質(zhì)差別，還更容易光飽和，并且其成本較高的弱勢(shì)使其不屬于熒光檢測(cè)常規(guī)要素。
3) CCD溫度。制冷CCD分為兩種：恒定低溫制冷CCD和相對(duì)低溫制冷CCD。恒定低溫制冷CCD擁有穩(wěn)定的背景，可以進(jìn)行背景扣除；而相對(duì)低溫制冷CCD由于背景不穩(wěn)定，一般不能進(jìn)行有效的背景扣除。CCD制冷溫度越低，產(chǎn)生的暗電流越小，如圖3所示，當(dāng)制冷溫度達(dá)到-29℃時(shí)，產(chǎn)生的暗電流已經(jīng)低至0.03e/pixel/s。由于儀器自身產(chǎn)生的噪音主要由暗電流熱噪音和CCD讀取噪音組成，而目前CCD讀取噪音*低只能降至2e rms；因而更低溫度的CCD并不能明顯的降低背景噪音，而成本卻極大提高。
4) CCD讀取噪音和暗電流。CCD讀取噪音和暗電流熱噪音是成像系統(tǒng)產(chǎn)生背景噪音的主要因素，但是在熒光成像中，*主要的背景噪音卻是來(lái)自于熒光背景光。熒光成像信噪比的改善主要依賴于熒光背景光的有效控制和背景扣除技術(shù)（圖4）。 ‘
自發(fā)熒光的干擾
在活體熒光成像中，動(dòng)物自發(fā)熒光一直困擾著科研工作者。在擁有激發(fā)光多光譜分析功能的活體成像系統(tǒng)出現(xiàn)以前，科學(xué)家們被迫采取各種方法來(lái)減少動(dòng)物自發(fā)熒光，比如：采用無(wú)熒光素鼠糧飼養(yǎng)小鼠、使用裸鼠等?，F(xiàn)在，擁有激發(fā)光多光譜分析功能的活體成像系統(tǒng)，能夠輕松進(jìn)行熒光信號(hào)的拆分，如圖5，食物、膀胱、毛發(fā)和皮膚的自發(fā)熒光能夠被有效的區(qū)分和剝離。激發(fā)光多光譜分析也可用于多重?zé)晒鈽?biāo)記檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)一鼠多標(biāo)記，降低實(shí)驗(yàn)成本，并有效提高數(shù)據(jù)的可比性。
熒光信號(hào)的準(zhǔn)確定位
如圖6所示，如果信號(hào)和靶標(biāo)100%重合，這是科學(xué)家所追求的；但是，如果信號(hào)并不和靶標(biāo)重合，而又誤以為正確定位時(shí)，這是科學(xué)的噩夢(mèng)。也許，一個(gè)錯(cuò)誤定位的信號(hào)，比沒有信號(hào)更加糟糕！
而同時(shí)擁有結(jié)構(gòu)成像（如X光、MRI）和功能成像功能（如熒光、發(fā)光、同位素）的多功能活體成像系統(tǒng)，則讓您擺脫困境，準(zhǔn)確定位熒光信號(hào)。如圖7所示，小鼠的X成像經(jīng)過(guò)胃腸造影，可清晰地獲得胃腸的形狀和位置，將熒光信號(hào)和X光疊加，熒光和胃腸重合，可準(zhǔn)確判定熒光定位在胃腸。
四、應(yīng)用
在腫瘤方面的應(yīng)用
它可以快速的測(cè)量各種癌癥模型中腫瘤的生長(zhǎng)，并可對(duì)癌癥治療中癌細(xì)胞的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)評(píng)估；可以無(wú)創(chuàng)傷地定量檢測(cè)小鼠整體的原位瘤、轉(zhuǎn)移瘤及自發(fā)瘤。如Hollingshead等利用人類膠質(zhì)瘤細(xì)胞系U251構(gòu)建U251-HRE細(xì)胞，其中的熒光素酶基因表達(dá)受可誘導(dǎo)啟動(dòng)子的操控，低氧狀態(tài)為其誘導(dǎo)條件，因此在細(xì)胞處于低氧狀態(tài)下熒光素酶基因開始表達(dá)。將此腫瘤細(xì)胞sc于裸鼠體內(nèi)，腫瘤增殖早期并無(wú)明顯熒光素酶表達(dá)，當(dāng)腫瘤達(dá)到了300～500mg時(shí)，局部組織出現(xiàn)低氧狀態(tài)，此時(shí)可監(jiān)測(cè)到熒光素酶顯著表達(dá)。這種方法不僅僅監(jiān)測(cè)腫瘤本身，更重要的是可以監(jiān)測(cè)腫瘤細(xì)胞所處的微環(huán)境。
在監(jiān)測(cè)感染和炎癥方面的應(yīng)用
熒光素酶基因標(biāo)記病毒和細(xì)菌，利用活體生物熒光成像技術(shù)可以檢測(cè)到，并能連續(xù)觀察其對(duì)機(jī)體的侵染過(guò)程以及抗病******物和抗生素對(duì)其病理過(guò)程的影響。如Contag et等用細(xì)菌熒光素酶標(biāo)靶沙門菌，并用活體生物熒光成像追蹤細(xì)菌感染。
活體生物熒光成像技術(shù)和細(xì)胞示蹤
活體生物熒光成像技術(shù)還可應(yīng)用到免疫細(xì)胞、干細(xì)胞、細(xì)胞凋亡等研究領(lǐng)域。如Costa等通過(guò)活體生物熒光成像可以追蹤到T淋巴細(xì)胞聚集于中樞神經(jīng)系統(tǒng)。
五、前景
活體生物熒光成像技術(shù)讓研究人員能夠觀察活體動(dòng)物體內(nèi)的基因表達(dá)和細(xì)胞活動(dòng)，是將分子及細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)從體外研究發(fā)展到活體動(dòng)物體內(nèi)的強(qiáng)有力手段，正在被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)及生物學(xué)研究領(lǐng)域。由于其檢測(cè)靈敏度極高，且操作簡(jiǎn)單，費(fèi)用相對(duì)低廉，因此在生物科學(xué)研究領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間。