你是否好奇，我们身体内部的细胞、组织和器官是如何工作的？当疾病侵袭时，它们又会发生怎样的变化？

活体成像技术，正如窥探生命奥秘的“千里眼”，使得我们可以在不干扰生物体自然状态的前提下，观察和记录细胞、组织乃至整个生物体内的动态过程。

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技术发展背景

1999年，Weissleder等人提出了分子影像学的概念，即运用应用影像学方法，对生物体在活体状态下细胞和分子层面的变化进行定性和定量的研究。

传统影像学就像给身体拍X光片，能看到骨头、器官等大块组织的变化，但看不清细胞和分子层次的细节。就好比我们看一栋大楼，传统影像学只能看到大楼的外观和整体结构，而看不见构成大楼的砖块和钢筋。

而分子影像学更像是给身体做了一次“分子CT”，能看到细胞和分子水平上的变化。它就像是用显微镜观察建筑物，能看到每一块砖、每根钢筋。通过特殊的分子探针，我们可以找到那些引起疾病的“元凶”，然后在影像上把它们“点亮”，这样就能更清楚地了解疾病的发生发展过程。

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技术原理

活体成像是一种能够在保持生物体正常生命活动的情况下，允许研究人员观测生物体内细胞和分子水平变化的技术。

利用活体成像技术，研究人员可以实时观测特异性细胞、基因和分子的表达或互作过程，并通过追踪靶细胞，实现对药物和基因治疗的优化，对同一个动物或病人进行时间、环境、发展和治疗影响跟踪。

活体成像主要包括生物发光（bioluminescence）、荧光（fluorescence）与同位素成像(Isotopes)三种技术。

● 生物发光成像：生物发光是一种自然现象，许多生物体都能产生光。当我们利用荧光素酶基因对细胞或DNA进行标记时，这些被标记的细胞或DNA在体内表达荧光素酶时，在加入相应的底物后，就会发出生物光。这种光可以通过专门的仪器检测到，从而实现对标记细胞的追踪和成像。

它的优点是背景信号低，灵敏度高，可用于深层组织成像。但通常需要外源性底物，且光子穿透力有限。

（图片来源：Choi, M., Kwok, S.J., & Yun, S.H. (2015). In vivo fluorescence microscopy: lessons from observing cell behavior in their native environment. Physiology, 30 1, 40-9 .）

● 荧光成像：荧光成像是利用荧光蛋白（GFP、EGFP、RFP、YFP等）或荧光染料对生物分子进行标记，然后用激发光照射，使标记分子发出荧光，再利用专门的仪器检测这些荧光信号，实现对生物过程的成像。

荧光蛋白种类丰富，可实现多色标记，灵敏度高。但容易受自发荧光和光漂白的干扰。

● 同位素成像：同位素成像是利用放射性同位素作为示踪剂，标记研究对象，并进行活体成像的一种微量分析方法。通过检测放射性同位素的分布和变化，可以反映生物体内的代谢过程和生理活动。常用的同位素有碘-123、氟-18等。

同位素成像技术穿透力强，可用于深层组织成像，定量准确。但通常需要在专门的放射性核素实验室进行，因为其存在辐射风险。

技术应用

● 肿瘤研究：利用荧光素酶基因标记肿瘤细胞，建立动物模型，研究人员可以实时观察肿瘤的生长速度、转移路径和转移灶的形成过程。即使是微小的肿瘤病灶（仅有数百个细胞）也能被检测到，有助于早期发现肿瘤，并定制最佳治疗方案。

● 感染性疾病研究：通过标记病原体，如细菌、病毒，我们可以实时追踪它们在宿主体内如何传播、感染细胞以及免疫系统如何做出反应。此外，我们还可以标记免疫细胞，如T细胞、B细胞，观察免疫系统对感染的反应，包括细胞的迁移、增殖和功能。

● 基因表达研究：利用活体成像技术，我们可以对感兴趣的基因的表达产物进行标记，来研究基因在不同组织、不同发育阶段或不同生理状态下的表达模式，从而揭示基因的功能。

● 药物开发：活体成像技术在药物开发中发挥着重要作用，通过将荧光标记物与药物分子偶联，我们可以利用活体成像技术实时观察药物在体内的分布情况，了解药物是否准确到达作用靶点。同时，通过标记药物代谢产物，我们可以追踪药物在体内的代谢过程，从而优化药物的剂量和给药间隔。

小结

活体成像技术是一种强大的影像学方法，能够在细胞和分子水平上实时监测生物过程的变化和发展。相信在未来，随着技术的不断进步和应用的深入拓展，活体成像技术将在生命科学、医学研究和药物开发等领域发挥更加重要的作用。

参考资料：

【1】https://www.antpedia.com/news/50/n-2421850.html

【2】https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1934590921000606