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显微镜:活体生物荧光成像技术

2013-10-16  发布者:admin 
一、 技术简介
活体生物荧光成像技术是近年来发展起来的一项分子、基因表达的分析检测系统。它由敏感的CCD及其分析软件和作为报告子的荧光素酶以及荧光素组成。利用灵敏的检测方法,让研究人员能够直接监控活体生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。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。
 
二、原理
活体生物荧光成像技术是指在小的哺乳动物体内利用报告基因-荧光素酶基因表达所产生的荧光素酶蛋白与其小分子底物荧光素在氧、Mg2+离子存在的条件下消耗ATP发生氧化反应,将部分化学能转变为可见光能释放。然后在体外利用敏感的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。
生物荧光实质是一种化学荧光,萤火虫荧光素酶在氧化其特有底物荧光素的过程中可以释放波长广泛的可见光光子,其平均波长为560nm(460~630nm),这其中包括重要的波长超过600nm的红光成分。在哺乳动物体内血红蛋白是吸收可见光的主要成分,能吸收中蓝绿光波段的大部分可见光;水和脂质主要吸收红外线,但其均对波长为590~800nm的红光至近红外线吸收能力较差,因此波长超过600nm的红光虽然有部分散射消耗但大部分可以穿透哺乳动物组织被敏感的CCD camera检测到。
 
三、操作方法
荧光标记的选择 
  活体生物荧光成像主要有三种标记方法:荧光蛋白标记、荧光染料标记和量子点标记。荧光蛋白适用于标记肿瘤细胞、病毒、基因等。通常使用的是GFP、EGFP、RFP(DsRed)等。荧光染料标记和体外标记方法相同,常用的有Cy3、Cy5、Cy5.5及Cy7,可以标记抗体、多肽、小分子药物等。量子点标记作为一种新的标记方法,是有机荧光染料的发射光强的20倍,稳定性强100倍以上,具有荧光发光光谱较窄、量子产率高、不易漂白、激发光谱宽、颜色可调,并且光化学稳定性高,不易分解等诸多优点。量子点是一种能发射荧光的半导体纳米微晶体,尺寸在100nm以下,它可以经受反复多次激发,而不像有机荧光染料那样容易发生荧光淬灭。 
  但是不同荧光波长的组织穿透力不同,如图1所示,各种波长的光对小鼠各种器官的透过率,都在波长>600nm时显著增加。而如图2所示,在650nm-900nm的近红外区间,血红蛋白、脂肪和水对这些波长的光的吸收都保持在一个比较低的水平。因而,选择激发和发射光谱位于650nm-900nm的近红外荧光标记(或至少发射光谱位于该区间),更有利于活体光学成像,特别是深层组织的荧光成像。(推荐文献: Nature Method, 2005, 2: 12 如何选择合适的荧光蛋白; Science, 2009, 324: 804 钱永建教授研究成果-近红外荧光蛋白,非常适合活体生物荧光成像)。 
 
活体荧光成像

 

 

活体生物荧光成像CCD的选择 
  选择适当的CCD镜头,对于体内可见光成像是非常重要的。如何选择活体荧光性价比最高的CCD呢?CCD有一些重要的参数: 
  1) CCD像素。CCD像素决定成像的图片质量,像素越高,成像质量越好。由于荧光背景光较强,产生非特异性杂光干扰明显,需要配有高分辨率CCD的相机。 
  2) 前照式还是背照式CCD。一般而言,背照式CCD具有更高的量子效率,但是只有在检测极弱光信号优势明显(如活体生物发光成像),但在强光检测中与前照式CCD无本质差别,还更容易光饱和,并且其成本较高的弱势使其不属于荧光检测常规要素。 
  3) CCD温度。制冷CCD分为两种:恒定低温制冷CCD和相对低温制冷CCD。恒定低温制冷CCD拥有稳定的背景,可以进行背景扣除;而相对低温制冷CCD由于背景不稳定,一般不能进行有效的背景扣除。CCD制冷温度越低,产生的暗电流越小,如图3所示,当制冷温度达到-29℃时,产生的暗电流已经低至0.03e/pixel/s。由于仪器自身产生的噪音主要由暗电流热噪音和CCD读取噪音组成,而目前CCD读取噪音最低只能降至2e rms;因而更低温度的CCD并不能明显的降低背景噪音,而成本却极大提高。 
  4) CCD读取噪音和暗电流。CCD读取噪音和暗电流热噪音是成像系统产生背景噪音的主要因素,但是在荧光成像中,最主要的背景噪音却是来自于荧光背景光。荧光成像信噪比的改善主要依赖于荧光背景光的有效控制和背景扣除技术(图4)。 ‘
背景扣除

    自发荧光的干扰 
   在活体荧光成像中,动物自发荧光一直困扰着科研工作者。在拥有激发光多光谱分析功能的活体成像系统出现以前,科学家们被迫采取各种方法来减少动物自发荧光,比如:采用无荧光素鼠粮饲养小鼠、使用裸鼠等。现在,拥有激发光多光谱分析功能的活体成像系统,能够轻松进行荧光信号的拆分,如图5,食物、膀胱、毛发和皮肤的自发荧光能够被有效的区分和剥离。激发光多光谱分析也可用于多重荧光标记检测,实现一鼠多标记,降低实验成本,并有效提高数据的可比性。 
 
激发光多光谱分析和荧光信号的拆分

   荧光信号的准确定位
如何判断信号和靶标重合

    如图6所示,如果信号和靶标100%重合,这是科学家所追求的;但是,如果信号并不和靶标重合,而又误以为正确定位时,这是科学的噩梦。也许,一个错误定位的信号,比没有信号更加糟糕! 
  而同时拥有结构成像(如X光、MRI)和功能成像功能(如荧光、发光、同位素)的多功能活体成像系统,则让您摆脱困境,准确定位荧光信号。如图7所示,小鼠的X成像经过胃肠造影,可清晰地获得胃肠的形状和位置,将荧光信号和X光叠加,荧光和胃肠重合,可准确判定荧光定位在胃肠。
X光+荧光信号重叠实现信号定位
 
四、应用
在肿瘤方面的应用
它可以快速的测量各种癌症模型中肿瘤的生长,并可对癌症治疗中癌细胞的变化进行实时观测评估;可以无创伤地定量检测小鼠整体的原位瘤、转移瘤及自发瘤。如Hollingshead等利用人类胶质瘤细胞系U251构建U251-HRE细胞,其中的荧光素酶基因表达受可诱导启动子的操控,低氧状态为其诱导条件,因此在细胞处于低氧状态下荧光素酶基因开始表达。将此肿瘤细胞sc于裸鼠体内,肿瘤增殖早期并无明显荧光素酶表达,当肿瘤达到了300~500mg时,局部组织出现低氧状态,此时可监测到荧光素酶显著表达。这种方法不仅仅监测肿瘤本身,更重要的是可以监测肿瘤细胞所处的微环境。
在监测感染和炎症方面的应用
荧光素酶基因标记病毒和细菌,利用活体生物荧光成像技术可以检测到,并能连续观察其对机体的侵染过程以及抗病毒药物和抗生素对其病理过程的影响。如Contag et等用细菌荧光素酶标靶沙门菌,并用活体生物荧光成像追踪细菌感染。
活体生物荧光成像技术和细胞示踪
活体生物荧光成像技术还可应用到免疫细胞、干细胞、细胞凋亡等研究领域。如Costa等通过活体生物荧光成像可以追踪到T淋巴细胞聚集于中枢神经系统。
 
五、前景
活体生物荧光成像技术让研究人员能够观察活体动物体内的基因表达和细胞活动,是将分子及细胞生物学技术从体外研究发展到活体动物体内的强有力手段,正在被越来越广泛地应用于医学及生物学研究领域。由于其检测灵敏度极高,且操作简单,费用相对低廉,因此在生物科学研究领域有着广阔的应用空间。