活體動物體內光學成像(Optical in vivo Imaging)主要采用生物發光（bioluminescence）與熒光（fluorescence）兩種技術。生物發光是用熒光素酶(Luciferase)基因標記細胞或DNA，而熒光技術則采用熒光報告基團（GFP、RFP, Cyt及dyes等）進行標記。利用一套非常靈敏的光學檢測儀器，讓研究人員能夠直接監控活體生物體內的細胞活動和基因行為。通過這個系統，可以觀測活體動物體內腫瘤的生長及轉移、感染性疾病發展過程、特定基因的表達等生物學過程。傳統的動物實驗方法需要在不同的時間點宰殺實驗動物以獲得數據, 得到多個時間點的實驗結果。相比之下，可見光體內成像通過對同一組實驗對象在不同時間點進行記錄，跟蹤同一觀察目標（標記細胞及基因）的移動及變化，所得的數據更加真實可信。另外, 這一技術對腫瘤微小轉移灶的檢測靈敏度極高，不涉及放射性物質和方法, 非常安全。 因其操作極其簡單、所得結果直觀、靈敏度高等特點, 在剛剛發展起來的幾年時間內，已廣泛應用于生命科學、醫學研究及藥物開發等方面。

一、  技術原理

1.  標記原理
哺乳動物生物發光，是將Fluc基因整合到細胞染色體DNA上以表達熒光素酶，當外源（腹腔或靜脈注射）給予其底物熒光素(luciferin)，即可在幾分鐘內產生發光現象。這種酶在ATP及氧氣的存在條件下，催化熒光素的氧化反應才可以發光，因此只有在活細胞內才會產生發光現象，并且光的強度與標記細胞的數目線性相關。對于細菌，lux操縱子由編碼熒光素酶的基因和編碼熒光素酶底物合成酶的基因組成，帶有這種操縱子的細菌會持續發光，不需要外源性底物。
基因、細胞和活體動物都可被熒光素酶基因標記。標記細胞的方法基本上是通過分子生物學克隆技術, 將熒光素酶的基因插到預期觀察的細胞的染色體內，通過單克隆細胞技術的篩選, 培養出能穩定表達熒光素酶的細胞株。目前, 常用的細胞株基本上都已標記好, 市場上已有銷售。 將標記好的細胞注入小鼠體內后, 觀測前需要注射熒光素酶的底物—熒光素，為約280道爾頓的小分子。熒光素脂溶性非常好, 很容易透過血腦屏障。注射一次熒光素能保持小鼠體內熒光素酶標記的細胞發光30-45分鐘。每次熒光素酶催化反應只產生一個光子，這是肉眼無法觀察到的，精諾真公司（Xenogen Corp.）生產的IVIS成像系統，應用一個高度靈敏的制冷CCD相機及特別設計的成像暗箱和成像軟件，可觀測并記錄到這些光子。

2.  光學原理
光在哺乳動物組織內傳播時會被散射和吸收，光子遇到細胞膜和細胞質時會發生折射現象，而且不同類型的細胞和組織吸收光子的特性并不一樣。在偏紅光區域, 大量的光可以穿過組織和皮膚而被檢測到。利用精諾真公司的IVIS系統最少可以看到皮下的500個細胞，當然，由于發光源在老鼠體內深度的不同可看到的最少細胞數是不同的。在相同的深度情況下, 檢測到的發光強度和細胞的數量具有非常好的線性關系?？梢姽怏w內成像技術的基本原理在于光可以穿透實驗動物的組織并且可由儀器量化檢測到的光強度，同時反映出細胞的數量。

3.  實驗過程
通過分子生物學克隆技術, 應用單克隆細胞技術的篩選，將熒光素酶的基因穩定整合到預期觀察的細胞的染色體內，培養出能穩定表達熒光素酶蛋白的細胞株。
典型的成像過程是：小鼠經過麻醉系統被麻醉后放入成像暗箱平臺，軟件控制平臺的升降到一個合適的視野，自動開啟照明燈拍攝第一次背景圖。下一步，自動關閉照明燈, 在沒有外界光源的條件下拍攝由小鼠體內發出的光，即為生物發光成像。 與第一次的背景圖疊加后可以清楚的顯示動物體內光源的位置，完成成像操作。之后，軟件完成圖像分析過程。使用者可以方便的選取感興趣的區域進行測量和數據處理及保存工作。當選定需要測量的區域后，軟件可以計算出此區域發出的光子數，獲得實驗數據。軟件的數據處理和保存功能非常強大，可以加快實驗速度，方便大批量的實驗。

4．熒光成像功能
精諾真活體動物成像系統IVIS200具有內置熒光成像功能。 熒光發光是通過激發光激發熒光基團到達高能量狀態，而后產生發射光。常用的有綠色熒光蛋白(GFP)、紅色熒光蛋白DsRed 及其它熒光報告基團，標記方法與體外熒光成像相似。熒光成像具有費用低廉和操作簡單等優點。 同生物發光在動物體內的穿透性相似，紅光的穿透性在體內比藍綠光的穿透性要好得多，近紅外熒光為觀測生理指標的最佳選擇。
Xenogen的IVIS系統可檢測波長范圍400–950nm的熒光，通過六塊不同的激發光濾鏡獲得所需的特定激發光波長。光線通過第二塊藍色漂移背景光濾鏡（blue-shifted background filters），使得初始的激發光產生輕微的藍色漂移。以不同波長的激發光，在不激發熒光報告基團時激發組織的自發熒光，從而將靶信號與背景光區分開，消除自發熒光。
雖然熒光信號遠遠強于生物發光，但非特異性熒光產生的背景噪音使其信噪比遠遠低于生物發光。雖然許多公司采用不同的技術分離背景光，但是受到熒光特性的限制，很難完全消除背景噪音。這些背景噪音造成熒光成像的靈敏度較低。目前大部分高水平的文章還是應用生物發光的方法來研究活體動物體內成像。 但是，熒光成像有其方便，便宜，直觀，標記靶點多樣和易于被大多數研究人員接受的優點，在一些植物分子生物學研究和觀察小分子體內代謝方面也得到應用。對于不同的研究，可根據兩者的特點以及實驗要求，選擇合適的方法。最近許多文獻報道的實驗中，利用綠色熒光蛋白和熒光素酶對細胞或動物進行雙重標記，用成熟的熒光成像技術進行體外檢測，進行分子生物學和細胞生物學研究；然后利用生物發光技術進行動物體內檢測， 進行活體動物體內研究。

二、  技術應用

通過活體動物體內成像系統，可以觀測到疾病或癌癥的發展進程以及藥物治療所產生的反應，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。具體應用如下：

1.  標記細胞
（1）  癌癥與抗癌藥物研究
直接快速地測量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生物發光成像能夠無創傷地定量檢測小鼠整體的原位瘤、轉移瘤及自發瘤。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102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。
以下是美國科學院院士John Massague(美國斯隆-凱特琳癌癥紀念醫院/霍華德.休斯醫學研究所)應用本技術進行乳腺癌肺轉移相關基因研究的文獻：
Genes that mediate breast cancer metastasis to lung
NATURE, July 2005, Vol 436

（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入脾及骨髓，可用于實時觀測活體動物體內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，可有效的針對同一組動物進行連續的觀察，節約動物樣品數，同時能更快捷地得到免疫系統中病原的轉移途徑及抗性蛋白表達的改變。
（3）  細胞凋亡
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，產生的融合蛋白無熒光素酶活性，細胞不能發光，而當細胞發生凋亡時，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，產生發光現象，由此可用于觀察活體動物體內的細胞凋亡相關事件。

2.  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進入神經系統的過程。多種病毒，腺病毒，腺相關病毒，慢病毒，乙肝病毒等，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將一個或多個感興趣的基因及其產物安全而有效的傳遞到靶細胞?？蓱脽晒馑孛富蜃鳛閳蟾婊蛴糜谳d體的構建，觀察目的基因是否能夠在試驗動物體內持續高效和組織特異性表達。這種非侵入方式具有容易準備、低毒性及輕微免疫反應的優點。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。
以下為運用該技術進行Herpesvirus saimiri病毒作為肝臟疾病基因治療載體的可行性研究的文獻：

Herpesvirus saimiri-based vector biodistribution using noninvasive optical imaging
Gene Therapy (2005) 12, 1465–1476

3.  標記細菌
（1）  細菌侵染研究
可以用標記好的革蘭氏陽性和陰性細菌侵染活體動物, 觀測其在動物體內的繁殖部位、數量變化及對外界因素的反應。
（2）  抗生素藥物
利用標記好的細菌在動物體內對藥物的反應，醫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。

4.  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(luciferase)是一類生物發光酶，其中的renilla熒光素酶和firefly熒光素酶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定表達的啟動子驅動, 作為內參，反應細胞數量的變化; firefly熒光素酶基因由要研究的組織特異性啟動子驅動。這樣firefly熒光素酶發光信號的變化，在消除細胞數量變化的影響后就可反應特定的啟動子在動物體內的表達活性。
（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生物發光，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
通過對比生物發光的變化，驗證在成年小鼠體內，注射雙鏈siRNA可以特異地阻遏基因表達。

5.  轉基因動物模型
（1）  基因表達
為研究目的基因是在何時、何種刺激下表達，將熒光素酶基因插入目的基因啟動子的下游，并穩定整合于實驗動物染色體中，形成轉基因動物模型。利用其表達產生的熒光素酶與底物作用產生生物發光，反應目的基因的表達情況，從而實現對目的基因的研究?？捎糜谘芯縿游锇l育過程中特定基因的時空表達情況，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。
（2）  各種疾病模型
研究者根據研究目的，將靶基因、靶細胞、病毒及細菌進行熒光素酶標記，同時轉入動物體內形成所需的疾病模型，包括腫瘤、免疫系統疾病、感染疾病等等?？商峁┌谢蛟隗w內的實時表達和對候選藥物的準確反應，還可以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研究方法。