小动物近红外二区荧光活体影像系统

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小动物活体成像技术原理及常见问题分析

小动物活体成像技术原理及常见问题分析活体成像技术是指应用影像学方法，在不损伤动物的前提下，对活体状态下的生物过程进行组织、细胞和分子水平的定性和定量研究的技术。

通过这项技术可以非侵入式、直观地观测活体动物体内肿瘤的生长，转移、疾病的发展过程、基因的表达变化等生物学过程。

与传统剥瘤称重测量的方法相比，活体成像能够对同一种实验对象在不同时间点进行观察，跟踪同一观察目标(标记细胞及基因)，数据更加真实可信，成本更低，灵敏度更高。

目前活体成像技术主要采用生物发光（Bioluminescence）与荧光（Fluorescence）两种技术，生物发光技术是用荧光素酶（Luciferase）基因标记细胞或者DNA，而荧光技术则是应用荧光蛋白（如GFP,RFP,Mcherry等）标记细胞或是蛋白等研究对象。

其中生物发光技术因其操作简单，反应灵敏，在肿瘤，分子互作及信号传导等研究中得到了广泛应用。

LUC荧光素酶（Luciferase）是自然界中能够产生生物荧光的酶的统称，其中最有代表性的是来自北美萤火虫（Photinus pyralis）体内的荧光素酶。

萤火虫荧光素酶属于加氧酶（oxygenase），其发光反应需要O2和Mg2+参与；有辅酶A（CoA）存在时能提高反应效率，增加发光时间。

萤火虫荧光素酶无需翻译后修饰，即可表现出荧光素酶活性。

将萤火虫荧光素酶的基因插入慢病毒介导的载体中，通过CAG启动子过表达从而作为报告基因，在细胞中表达。

常用于细胞标记后小动物细胞移植活体成像追踪，从而评估移植后细胞的归巢以及治疗效果等。

GFP绿色荧光蛋白1962年在一种学名Aequoreavictoria的水母中发现。

其基因所产生的蛋白质，在蓝色波长范围的光线激发下，会发出绿色萤光。

这个发光的过程中还需要冷光蛋白质Aequorin的帮助，且这个冷光蛋白质与钙离子（Ca2+）可产生交互作用。

将绿色荧光蛋白的基因插入慢病毒介导的载体中，通过flap-Ub启动子过表达从而作为报告基因，在细胞中表达。

仪器一：小动物活体光学成像系统

仪器一：小动物活体光学成像系统（一）具体参数要求1、系统性能*具备高灵敏度的生物发光二维成像功能：*具备高性能的荧光二维成像功能：*具备荧光分子断层成像技术，能够实现真实三维断层扫描，获取貞•实三维信息；具备基于切伦科夫辐射原理的放射性同位素成像功能：*具备高品质滤光片及光谱分禽算法，可实现自发荧光扣除及多探针成像：实验中能够实现生物发光及荧光成像模式的联合使用，并能将影像融合叠加：具备国际公认的光学信号定量方法：2、应用领域广泛应用于癌症、干细胞、感染、炎症、免疫疾病、神经疾病、心血管疾病、代谢疾病、基因治疗等多种疾病分子机理及相关药物研发的临床前研究。

3、主要技术参数3.1仪器硬件部分3.1.1二维成像部分*采用背照射、背部薄化科学一级CCD：*CCD采用电制冷方式，工作温度达到绝对-90°C,温度可视化；♦CCD 量子效率大于85% （500-700nm）；*最小检测光子数可达100光子/秒/弧度/平方厘米：采用泄焦镜头，最大光圈可达fA95,可自动聚焦；成像视野范国可调，最大视野能够满足至少3只小鼠同时成像：动物载物台温度可控（20-40°C）,且即时温度可通过软件显示；*生物发光灵敏度达到可检测小鼠皮下少于100个生物发光细胞（需提供证明文献）：荧光光源采用高效金属卤素灯，功率不低于150瓦；*激发光滤片标配数量不少于19个，发射光滤片标配数量不少于7个：*所有滤片均为高品质滤光片，透光率可达95%,滤片表而采用多层硬性涂料防护，防止因长期照射导致的滤片退化或损伤，使用寿命长：具备高品质成像暗箱，避免仪器背景信号的过多产生：仪器出厂前经过国际标准的NIST光学校准：仪器具备左时自检功能，可自动去除仪器本身产生的背景信号。

3.1.2三维成像部分具备反射照明方式，以获取小动物体表轮娜结构；*具备透射照明方式，并通过底部多点透射扫描，获取三维重建所需的断层信息：*具备荧光分子断层成像技术，能够实现小动物体内任意深度的信号探测：*透射激发光源为长寿命固态激光器，能满足体内有效激发深度＞2cm；*具备超声传感器，用以获取三维重建所需的深度信息：具备高精度XY激光扫描电动平台，扫描范用达65 mm X 50 mm。

小动物活体成像技术的原理及操作方法

⼩动物活体成像技术的原理及操作⽅法2、⽣物发光成像活体⽣物荧光成像技术就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,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。

⽣物荧光实质就是⼀种化学荧光,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560 nm(460—630 nm),这其中包括重要的波长超过600 nm的红光成分。

在哺乳动物体内⾎红蛋⽩就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;⽔与脂质主要吸收红外线,但其均对波长为590—800 nm的红光⾄近红外线吸收能⼒较差,因此波长超过6 00 nm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⾼灵敏的CCD检测到。

⽣物发光成像的优点可以⾮侵⼊性,实时连续动态监测体内的各种⽣物学过程,从⽽可以减少实验动物数量,及降低个体间差异的影响;由于背景噪声低,所以具有较⾼的敏感性;不需要外源性激发光,避免对体内正常细胞造成损伤,有利于长期观察;此外还有⽆放射性等其她优点。

然⽽⽣物发光也有⾃⾝的不⾜之处:例如波长依赖性的组织穿透能⼒,光在哺乳动物组织内传播时会被散射与吸收,光⼦遇到细胞膜与细胞质时会发⽣折射,⽽且不同类型的细胞与组织吸收光⼦的特性也不尽相同,其中⾎红蛋⽩就是吸收光⼦的主要物质;由于就是在体外检测体内发出的信号,因⽽受到体内发光源位置及深度影响;另外还需要外源性提供各种荧光素酶的底物,且底物在体内的分布与药动⼒学也会影响信号的产⽣;由于荧光素酶催化的⽣化反应需要氧⽓、镁离⼦及ATP等物质的参与,受到体内环境状态的影响。

⼆、⼩动物活体成像1、制作动物模型可根据实验需要通过尾静脉注射、⽪下移植、原位移植等⽅法接种已标记的细胞或组织。

Xenics红外相机在第二近红外小动物活体荧光成像方面的应用-4

Xenics液氮制冷相机在第二近红外小动物活体荧光成像方面的应用1、应用背景介绍癌症作为四大不治症之一，一直以来都是全球各国希望攻克的难题。

World Cancer2014报告指出：全球范围内每年癌症新增病例高达1400万，死亡病例高达820万，而2010年全球在癌症上投入的资金为1.16万亿美金，为全球生产总值的2%。

影像方法一直以来都是癌症研究、药物开发，以及一般医疗行业重要的辅助研究手段；传统的获取影像的方法主要包括X-Ray成像、可见光成像以及核磁成像。

X-Ray 成像主要是通过X光探测器来探测穿透人体组织后的X光影像，主要包括DR、CT、PET 等设备，但是X光成像由于有辐射，对人体有伤害，且这些成像技术的空间分辨率有限，很难实现微小病灶的早期检测，进而影响早期治疗。

同样，由于这些设备的时间分辨率有限，不适合外科医生长期手术使用；可见光成像主要通过探测400nm—700nm范围内的可见光来获取影像信息，但是可见光无法获得被探测人和物内部的信息；MRI也是医疗行业一个有力的手段，但是MRI设备拍摄时间长、费用昂贵，无法在术中使用。

图1：CT、PET探测设备基于上述背景，越来越多的生命科学工作者开始了其他影像方法对癌症检测价值的研究。

近红外成像由于能够获得更高的空间分辨率和更高的时间分辨率，获得了越来越多研究者的喜爱。

同时，由于更深的探测深度，以斯坦福大学为首的众多科研院所和高校开始了第二近红外成像的研究。

图2：红外成像探测深度VS 可见光成像探测深度2、第二近红外荧光成像研究原理近红外成像，由于时空分辨率都比Micro-CT和PET高，又没有辐射，同时可以在手术中使用等，被广泛研究。

近红外成像主要分为第1近红外（0.75um—0.9um）成像和第2近红外（1.1um--1.4um）成像，而第2近红外成像由于可以获得更深的探测深度（1 - 3毫米），更高的空间分辨率（~ 30毫米），更高的时间分辨率（< 200 ms 每帧），更受期待。

小动物活体影像系统需求

小动物活体影像系统需求
1 设备名称：
小动物活体影像系统。

2 数量：
1套。

3 设备用途说明：
小动物活体成像仪采用高灵敏度的冷CCD相机，能够检测弱光信号，达到很高的量子率，且背景噪音极小，外加独特设计的暗箱和科学高效的数据处理，使其可以完成无论是发光或者是荧光所涉及到的所有发光标记物的成像分析，能满足实验室多种研究的需要。

4 技术要求及参数：
6 技术服务条款
售后服务要求：
1)需为本项目配备足够的售后服务力量，具有国内本地化的服务团队。

2)售后服务响应时间：电话响应时间要求4小时内，到场响应时间要求
2个工作日内（指从接到报障至到达故障现场的时间）。

3)免费提供技术支持热线电话。

4)免费提供email技术支持，并且在24小时内回复。

5)提供仪器设备的免费保修期至少一年（保修期内免费维修并更换除消
耗品以外的零部件，维修人员的路费、食宿等自理）。

6)提供该设备的技术使用说明书及外购配件仪器说明书，并指导在使用
该设备时的操作注意事项等。

7)提供配套软件至少一年的免费升级服务。

培训要求：
1)为保证所提供的仪器设备安全、可靠运行，便于方的运行维护，必须
对方培训合格的维护和管理人员。

2)负责对方提供至少一次现场技术培训，以便工作人员在培训后能熟练
地掌握系统的维护工作，并能及时排除大部分的系统障碍。

最创新的近红外二区荧光-生物发光双模式光学成像技术

最创新的近红外二区荧光/生物发光双模式光学成像
技术
在众多影像技术中，活体光学成像技术具有成像速度快、灵敏度高、可以进行多通道成像以及经济快捷等特点，已被广泛应用于干细胞示踪研究。

然而，传统的荧光成像的波长大多集中在可见光到近红外一区波段，存在组织穿透深度低和空间分辨率低的缺点，这大大限制了荧光成像方法的应用。

最新的研究表明近红外二区荧光（NIR-II，1000-1700 nm）在活体组织中具有更少的组织吸收和散射以及更低组织自发荧光特性，可以大大提高荧光成像的组织穿透深度和空间分辨率，在生物医学影像中具有广阔的应用前景。

日前，中科院苏州纳米所王强斌团队开发了一种新型的近红外二区荧光/生物发光双模式光学成像技术，并以急性肝损伤小鼠为模型，实现对移植干细胞在活体内的动态迁移、存活和免疫清除的一体化分析。

brukerin-vivoxtreme小动物活体成像系统标准操作规程（1）

brukerin-vivoxtreme⼩动物活体成像系统标准操作规程（1）Bruker In-Vivo Xtreme⼩动物活体成像系统标准操作规程【⽬的】通过制定本操作规程，规范⼩动物活体成像系统使⽤。

【准备】1、实验试剂（药物、染料、⿇醉剂、⽔、脱⽑膏等）；2、实验对象（⼩⿏、⼤⿏、⿊⿏、裸⿏等）；3、如需要⽓体⿇醉则要进⾏氧⽓准备，将⿇醉剂倒⼊⿇醉机中，并检查⿇醉机检查窗中液位位于“min”和“Max”之间；⽓体⿇醉前根据室内温度情况酌情打开动物空⽓加热器。

【开机】主机部分：1、打开X-Ray光源，将开关钥匙打到“ON”的位置；2、打开主机，将主机右后⽅的电源开关打到“ON”的位置。

接着打开电脑，等待⽹线图标出现⼀个黄⾊三⾓叹号后，将MI软件打开。

注意：仪器开机以后，需要⼤约20分钟的预冷时间。

附属部分：1、如需要进⾏⽓体⿇醉，则需要打开⿇醉机，并对实验对象进⾏预⿇醉；2、如果需要进⾏三维旋转拍摄，则需准备动物旋转系统（MARS），动物旋转系统的准备需要在不开拍摄软件和MARS控制器按钮打到manual的情况下，先按要求将旋转器安装到暗箱中，然后将按钮打到auto，完成之后即可打开MI软件【拍照】1、将实验对象摆放到托盘中，拍照部位朝下，如拍摄腹部影像，需将实验对象腹部朝下，并将四肢伸展开，然后将托盘放⼊暗箱拍摄位置，放置是托盘缺⼝朝右侧摆放；2、双击桌⾯MI图标，打开MI软件，单击“Capture”按钮，打开拍摄参数设置界⾯；1）：拍摄界⾯顶部显⽰仪器型号。

MI软件提供同时拍摄两张图像的功能，即第⼀张图像是Foreground，主图像，第⼆张图像是Background，背景图像。

点击Foreground和Background按钮进⾏切换，对两张图像的拍摄程序分别进⾏编辑。

2）：左边第⼀部分File⾥可以执⾏和创建、编辑修改⼀个Protocol，同时，Protocol还可以通过点击软件顶部的⼯具栏中Protocol按钮打开。

仪器一：小动物活体光学成像系统

仪器一：小动物活体光学成像系统(一)具体参数要求1、系统性能*具备高灵敏度的生物发光二维成像功能；*具备高性能的荧光二维成像功能；*具备荧光分子断层成像技术，能够实现真实三维断层扫描，获取真实三维信息；具备基于切伦科夫辐射原理的放射性同位素成像功能；*具备高品质滤光片及光谱分离算法，可实现自发荧光扣除及多探针成像；实验中能够实现生物发光及荧光成像模式的联合使用，并能将影像融合叠加；具备国际公认的光学信号定量方法；2、应用领域广泛应用于癌症、干细胞、感染、炎症、免疫疾病、神经疾病、心血管疾病、代谢疾病、基因治疗等多种疾病分子机理及相关药物研发的临床前研究。

3、主要技术参数3.1仪器硬件部分3.1.1二维成像部分*采用背照射、背部薄化科学一级CCD；*CCD采用电制冷方式，工作温度达到绝对-90℃，温度可视化；*CCD 量子效率大于85%（500-700nm）；*最小检测光子数可达100光子/秒/弧度/平方厘米；采用定焦镜头，最大光圈可达f/0.95，可自动聚焦；成像视野范围可调，最大视野能够满足至少3只小鼠同时成像；动物载物台温度可控（20-40℃），且即时温度可通过软件显示；*生物发光灵敏度达到可检测小鼠皮下少于100个生物发光细胞（需提供证明文献）；荧光光源采用高效金属卤素灯，功率不低于150瓦；*激发光滤片标配数量不少于19个，发射光滤片标配数量不少于7个；*所有滤片均为高品质滤光片，透光率可达95%，滤片表面采用多层硬性涂料防护，防止因长期照射导致的滤片退化或损伤，使用寿命长；具备高品质成像暗箱，避免仪器背景信号的过多产生；仪器出厂前经过国际标准的NIST光学校准；仪器具备定时自检功能，可自动去除仪器本身产生的背景信号。

3.1.2三维成像部分具备反射照明方式，以获取小动物体表轮廓结构；*具备透射照明方式，并通过底部多点透射扫描，获取三维重建所需的断层信息；*具备荧光分子断层成像技术，能够实现小动物体内任意深度的信号探测；*透射激发光源为长寿命固态激光器，能满足体内有效激发深度>2cm；*具备超声传感器，用以获取三维重建所需的深度信息；具备高精度XY激光扫描电动平台，扫描范围达65 mm ×50 mm。

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仪器名称：小动物近红外二区荧光活体影像系统
百购生物网为您提供
型号：Series II 900/1700
简介：
针对传统活体荧光成像技术面临的低组织穿透深度（<3毫米）和低空间分辨率（~毫米）、高自发荧光背景等瓶颈，苏州影睿光学科技有限公司的研究团队历经多年潜心研究，于2012年推出了第一款基于近红外二区荧光（NIR-II,900-1700nm）的小动物活体影像商业化系统（Series II
900/1700），实现了高组织穿透深度（>1.5cm）、高时间分辨率（50ms）和高空间分辨率（25µm）的活体荧光成像。

Series II 900/1700可针对不同的研究体系，在小动物活体水平进行实时、无创、动态、定性和定量的影像研究，包括肿瘤早期检测、肿瘤发展、转移和治疗过程、药物筛选、靶向药物和靶向治疗、干细胞活体示踪及其再生医学研究等。

影睿光学拥有世界领先的量子点制备和应用专利技术、活体荧光影像设备，以及强大的数据处理和分析功能，为用户提供完整的科研产品及解决方案。

目前，影睿光学Series II 900/1700系统已成功销往美国埃默里大学，并与美国哈弗大学医学院、美国康奈尔大学、美国埃默里大学、北京大学、复旦大学附属华山医院、南京大学附属鼓楼医院、中国科学院北京动物研究所、中国科学院上海药物研究所等数十家国内外优秀研究机构建立了良好的商业伙伴及合作关系。

技术优势：
荧光活体成像解决方案：近红外二区荧光成像
活体组织对近红外二区荧光（1000-1700nm）具有更低的吸收和散射效应，以及可以忽略的自发荧光背景，因此，在活体荧光成像中，与传统荧光（400-900nm）相比，近红外二区荧光具有更高的穿透深度、更高的时间和空间分辨率，以及更高的信噪比。

近红外二区荧光探针解决方案：Ag2S 量子点
国际领先的近红外二区荧光量子点技术，量子效率大于15%；具有良好的生物相容性(Ag2S 量子点对主要器官肝脏、脾脏和肾脏等没有毒副作用)。

主要性能：
高组织穿透深度（> 1.5 cm）
在小动物模型研究中可以实现体内组织和器官的完全无损“可视化，无需解剖动物“高空间分辨率（25 µm）
在脑神经胶质瘤研究中，无需打开小鼠颅骨，可无损辨别的最小毛细血管直径为24.3 µm。

高时间分辨率（50 ms）
无活体背景荧光干扰，高量子产率的Ag2S量子点近红外二区荧光可保障荧光信号高速采集，实现原位、
实时的活体荧光成像。

应用领域：
细胞特异性标记
通过对Ag2S量子点表面进行特异性配体分子修饰，可以实现对不同细胞的特异性标记和识别，为细胞生物学研究提供一种有效的标记工具。

（ACS Nano 2012）
高灵敏度和高信噪比活体肿瘤检测，完全无背景荧光干扰。

实现活体内肿瘤早期检测和筛查对肿瘤的有效干预和治疗具有非常重要的意义。

在肿瘤模型研究中，将5x105肿瘤细胞种植到小鼠体内进行成瘤生长，24小时后通过尾静脉注射Ag2S量子点
（1mg/kg剂量）可以实现对肿瘤细胞团高灵敏度、高信噪比活体检测（上图）；而通常到肿瘤生长到第五天左右方肉眼可见。

高清晰、高动态新生血管和淋巴系统成像，剖析肿瘤发展和转移过程
解析肿瘤发展和转移过程对肿瘤治疗非常重要。

利用近红外二区荧光可以动态观测肿瘤发展和新生血管形成过程，为肿瘤有效治疗提供影像依据。

（Biomaterials 2014）
淋巴系统是肿瘤转移的另一个重要途径。

近红外二区荧光高组织穿透深度和高信噪比的成像特性，有利于实现对淋巴管和淋巴结的高清晰动态成像。

相比较于近红外一区荧光影像（ICG），近红外二区影像（Ag2S）具有更高的空间分辨率和穿透深度。

（Biomaterials 2014）
近红外二区荧光高组织穿透深度、高信噪比的活体影像效果可以清晰地辨别肿瘤边界，指导临床复杂肿瘤和病灶的精准手术切除
以脑神经胶质瘤为例，由于其高度浸润性，在临床实践中难以对肿瘤边界进行精确界定，造成手术切除不完全，引起肿瘤复发率高和患者存活期短等问题。

利用近红外二区荧光高组织穿透深度和高信噪比的影像特点，可以帮助临床外科医生在手术过程中对胶质瘤的边界进行精确定位，从而指导精准手术。

（Small 2015）
高组织穿透深度、高时间和高空间分辨率活体影像，结合主组分分析（PCA）算法，精确确定药物活体作用靶点，定量分析药物代谢动力学行为
通过蛋白质药物与Ag2S量子点进行标记，可以原位、实时反馈蛋白质药物与体内靶点的相互作用，对蛋白质药物在体内的药物代谢动力学进行定量分析；同时影像学数据为蛋白质药物的改造提供依据。

上图第一栏为没有改造的蛋白质药物尾静脉注射入体内后的动态分布状况，12小时后主要集中在肝脏和骨组织；上图第二和第三栏分别为不同分子量PEG分子改造后的蛋白质药物保持很高的血液循环稳定性，大大提高了蛋白质药物的靶向运输效率；上图第四栏为主组分分析结果。

（ACS Nano 2015）
高组织穿透深度、高时间和高空间分辨率的近红外二区荧光活体成像可以动态示踪移植干细胞在体内的迁移和分化，为干细胞再生医学提供无损“可视化”技术。

移植干细胞如何参与损伤组织和器官再生的一个重要前提是了解干细胞在体内的迁移和分布。

以皮肤损伤修复为例，尾静脉注射标记Ag2S量子点的骨髓间充质干细胞，在趋化因子定向干预下，近红外荧光实时报告移植骨髓间充质干细胞在损伤”位高效富集和均匀分散（图a-d），造成皮肤损伤”位的快速和完全愈合（图e和f）。

病理切片分析结果表明高浓度骨髓间充质干细胞在损伤”位的分布引起血管生长因子的高表达，显著促进损伤”位毛细血管形成（图g），促进损伤修复。

（Biomaterials 2015）。