活体动物体内生物发光和荧光成像技术(2)

用荧光素酶标记干细胞有以下几种方法：一种是标记组成性表达的基因，做成转基因动物，干细胞就被标记了，若干细胞移植到另外动物体内，可以用活体生物发光成像技术示踪干细胞在体内的增殖、分化及迁徙的过程；另外一种方法是用慢病毒直接标记干细胞后，移植到体内观测其增殖、分化及迁徙过程，研究其修复、治疗损伤或缺陷部分的效果，进一步探讨其机制。

可以通过标记免疫细胞，观察免疫细胞对肿瘤细胞等的识别和杀死功能，评价免疫细胞的免疫特异性、增殖、迁移及功能等；通过标记异体细胞，观察异体细胞对器官移植影响；也可进行一些关于免疫因子的研究等。

5．基因表达模式与基因功能研究

研究基因表达可以从影响基因表达的各个不同的层面进行相关的研究，如利用融合蛋白（p27-luc融合蛋白研究其在Cdk细胞分裂周期的表达），兴趣基因启动子控制的荧光素酶（Catenin在肿瘤转移的信号传导机制），siRNA方式和转基因动物等方法。

为研究目的基因是在何时、何种刺激下表达，将荧光素酶基因插入目的基因启动子的下游，并稳定整合于实验动物染色体中，形成转基因动物模型。通过这种方法实现荧光素酶和目的基因的平行表达，从而可以直接观察目的基因的表达模式，包括数量、时间、部位及影响其表达和功能的因素等；也可用于研究动物发育过程中特定基因的时空表达情况，观察药物诱导特定基因表达；以及其它生物学事件引起的相应基因表达或关闭。

6．蛋白质相互作用

活体动物体内生物发光和荧光成像技术基础原理与应用简介

可利用动物体内生物发光成像技术研究活体动物体内蛋白与蛋白的相互作用。其原理是将分开时都不单独发光的荧光酶的C端和N端分别连接在两个不同的蛋白质上，若是这两个蛋白质之间有相互作用，荧光酶的C端和N端就会被连接到一起，激活荧光素酶的转录表达，在有底物存在时出现生物发光。在活体条件下研究药物对蛋白质相互作用的影响，可以观察到在体外实验中无法模拟的活体环境对蛋白质相互作用的影响。

7．细胞凋亡

利用活体动物生物发光成像技术，直接观察活体动物体内的细胞凋亡。具体原理是用分子生物学方法在荧光酶的两端连接上抑制其发光的蛋白(如雌激素)，但在其连接处加上caspase (细胞凋亡时特异表达的一种酶)的酶切点。细胞发生凋亡时，表达caspase，切开抑制荧光酶发光的蛋白，使荧光素酶开始发光。

8. 疾病机理

可以标记与某种疾病密切相关的基因，做成转基因小鼠，通过特定的药物作用或其他条件下该基因表达的变化，来推测该疾病的发病机理和药物对疾病治疗的效果等。

9．其他

如RNAi、蛋白质核运输等。在荧光素酶基因的一端接要研究的蛋白质的基因，另一端接肯定在细胞核内表达的蛋白的基因，当核外的蛋白运输到核内时，就会导致荧光素酶N端、C端靠近，恢复发光。

二、活体动物荧光成像技术

（一）技术原理

1．标记原理

活体荧光成像技术主要有三种标记方法。

（1）荧光蛋白标记：荧光蛋白适用于标记细胞、病毒、基因等，通常使用的是GFP、EGFP、RFP（DsRed）等；

（2）荧光染料标记：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；

（3）量子点标记：量子点（quantum dot)是一种能发射荧光的半导体纳米微晶体，是由数百到数万个原子组成的原子簇，尺寸在100nm以下，外观恰似一极小的点状物。量子点作为一类新型的荧光标记材料，其在长时间生命活动监测及活体示踪方面具有独特的应用优势。与传统的有机荧光试剂相比较，量子点荧光比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。主要应用在活细胞实时动态荧光观察与成像，可以在长达数天内进行细胞的分化和世系观察, 以及细胞间、细胞内及细胞器间的各种相互作用的原位实时动态示踪。不但如此，量子点还可以标记在其他需要研究的物质上，如药物、特定的生物分子等，示踪其活动及作用。

2．光学原理

荧光发光是通过激发光激发荧光基团到达高能量状态，而后产生发射光。同生物发光在动物体内的穿透性相似，红光的穿透性在小动物体内比蓝绿光的穿透性要好得多，随着发光信号在体内深度的增加，波长越接近900nm的光线穿透能力越强，同时可消减背景噪音的干扰，近红外荧光为观测生理指标的最佳选择。在实验条件允许的条件下，应尽量选择发射波长较长的荧光蛋白或染料。

（二）活体动物荧光成像技术应用领域

1．肿瘤学

活体荧光成像技术能够无创伤定量检测小鼠的皮下瘤模型。相对于生物发光成像技术，活体荧光成像技术检测时间较快，只需要不到1s的时间，同时不需要注射底物，节约了检测成本。但是需要选择近红外荧光检测深部组织，目前此波段的荧光蛋白种类有限，精确定量较难。

（1）GFP标记的肺肿瘤模型（H-460-GFP）

活体动物体内生物发光和荧光成像技术基础原理与应用简介

H-460-GFP是一个绿色荧光蛋白表达细胞系，它起源于H-460肺小细胞肺癌，稳定转染了绿色荧光蛋白基因，并由SV-40启动子起始基因的表达。

通过H-460-GFP皮下肿瘤模型，建立小鼠肺癌的实验模型，可用来进行有关抗癌药物的筛选（图11-3）。可用于测量皮下肿瘤的生长和监测对潜在化学治疗药物的反应。

图11-3 左图是接种后1w荧光成像，右图是3w荧光成像（上海市肿瘤研究所供图）

（2）量子点标记细胞系

通过量子点可以标记肿瘤细胞，用量子点Qtracker® 705对MDA-MB-231乳腺癌细胞进行标记，皮下接种后动态观察其生长以及变化（图11-4）。激发光波长625nm ，散射光波长680nm。

图11-4 量子点标记肿瘤细胞不同时间荧光成像

2．抗体

分子探针的一端联有能够和生物体内特异靶点结合的分子结构（如肽类、酶的底物、配体等），另一端则是荧光染料。通过Cy5.5标记的抗体的体内代谢实验，可见肝、肾等处的分布（图11-5）。

活体动物体内生物发光和荧光成像技术基础原理与应用简介

图11-5 Cy5.5标记的抗体的体内代谢实验（上海市肿瘤研究所供图）

3． 药学研究

荧光成像在药物制剂学研究，尤其是药物靶向性研究，药物载体研究中有巨大优势。有关专家正在设计用合适的荧光染料标记小分子药物，观察药物在动物体内的特异性分布和代谢情况，尤其是中药研究方面。

应用透射仪从样本底部激发光源，可以提高活体荧光成像的灵敏度和检测的深度。图11-6是应用NIR荧光染料标记的β淀粉酶来观察治疗Alzheimer病的药物的治疗效果，曝光时间仅为200 ms，激发波长680nm，散射光波长720nm。

图11-6 NIR标记的β淀粉酶成像

4．组织工程

通过发展EGFP基因表达的细胞系无创伤的评价组织工程的构建。通过EGFP标记的组织工程细胞移植到小鼠体内特制的支架上，观察该细胞的生长和变化，从而判断组织工程的成败与否。

三、生物发光成像与荧光成像的比较

（一）生物发光成像技术优点

与荧光成像技术相比较，生物发光成像技术主要的优势有：

1．特异性强，无自发 …… 此处隐藏：2599字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……