小动物活体成像培训2017041苏州大学放射医学院大型仪器
【小动物影像技术课件】MRI成像过程与信号产生
6.90度脉冲激发 ❖ 90度射频脉冲激发使质子发生共振，产生最大的旋转横向
磁化矢量，这种旋转的横向磁化矢量切割接收线圈，MR 仪可检测到这种信号。 ❖ 氢质子含量越高组织：纵向磁化矢量越大，90度脉冲后产 生的旋转宏观横向矢量更大，MR信号强度越高。 ❖ 此时，MR图像可区分氢质子密度不同的两种组织。
《小动物影像技术》
四、MRI信号的产生
8.磁共振图像 ❖ 磁共振图像上黑、白灰度称为信号强度。 ❖ 白：高信号 ❖ 黑：低信号或无信号 ❖ 灰：中等信号
《小动物影像技术》
考一考
❖ MRI图像中高信号为（）色。 ❖ A.白色 B.灰色 C.黑色
《小动物影像技术》
❖ T1弛豫 ？ ❖ T2弛豫？
思与练
《小动物影像技术》
谢谢
为（百万+7个）：百万。这多出来的7个质子产生净磁化 矢量，正是这净磁化矢量提供有用的MRI信号。
《小动物影像技术》
四、MRI信号的产生
2.外加磁场B0 ❖ 两百万质子中只有7个质子对图像成像有
贡献，可能让人觉得信号太弱。 ❖ 然而，在1.5T 磁场中0.01 ml的水中含有
大约3百万亿个这样的过剩质子，所以事 情可行。 ❖ 净磁化矢量大小随着MRI系统的场强增 加而增加。 ❖ 高磁场强度磁体系统比低磁场系统从相 同体积的组织中产生更多的信号。
2.外加磁场B0 ❖ 指南针：指南针方向与地磁方向一致
❖ 小磁铁：小磁铁与大磁铁磁场方向一致。
《小动物影像技术》
四、MRI信号的产生
2.外加磁场B0 ❖ 当动物被放入核磁共振扫描仪时，外加磁场(被称为Bo)会
导致质子放弃它们的随机方向，与主磁场“对齐”。
《小动物影像技术》
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。
小动物活体成像操作说明手册
小动物活体成像操作说明手册第七部分操作7.1准备程序图7.1麻醉准备程序在开始麻醉程序之前，做一些准备程序可以帮助实验顺利进行，请参看图7.1 1) 请把不用的出气口用特制的黑色橡胶塞塞住。
(PN10168) 2) 把锥形通气口的位置对准。
3) 在麻醉程序开始前对照图片确保出气支管位置正确。
4) 确认气体循环管没有打结阻塞和松动。
5) 确认蒸发器内有足够的乙氟醚(Isoflurane)，如果需要注入请参看下一节。
7.2蒸发器注入程序警告:不能在正在进行氧气供应时向蒸发器内灌注液体乙氟醚(Isoflurane)。
注入前，关闭供应打开前面板上两个阀门开关监视流量计。
当流量球在指示管中的底部保持不动时说明已无气体流动，此时可以进行注入。
警告:只有当蒸发器控制旋钮处于关的位置才可以进行注入，在注入过程中不能打开任何氧气供应。
警告:只能使用乙氟醚(Isoflurane)不要使用其它麻醉气体，使用其它麻醉剂可能会导致危险。
警告:在处理剩余的麻醉剂时实验室要具备良好的通风条件，建议遵照已公布的安全条例进行操作，当丢弃剩余的乙氟醚(Isoflurane)时使用蒸发器使用手册上推荐的合适的化学容器。
警告:使用时XGI,8麻醉系统要保持直立状态。
蒸发器注入步骤1) 如图7.2所示，确保氧气供应被切断，可以在源头或减压阀处关掉它。
2) 如图7.3所示，确保蒸发器开关处于关的位置。
3) 打开两个前面板的阀门开关释放XGI,8的氧气，如图7.4所示可以看到阀门处于打开位置，流量计指示氧气已放完后，关闭这两个阀门开关。
4) 反时针旋转卸掉蒸发器的螺丝帽(如图7.5)。
确认试剂是乙氟醚(Isoflurane)，缓慢的倒进灌入口，透过玻璃指示窗随时观察乙氟醚(Isoflurane)的水平线，注意不要超过最大允许线。
如图7.6所示。
5) 注意:如果蒸发器在灌注前是干的，水平线在开始会轻微下落因为内部的棉芯会吸收一部分试剂。
6) 当乙氟醚(Isoflurane)达到玻璃指示窗上的最大标线时，表明蒸发器已灌注满。
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。
小动物近红外二区荧光活体影像系统
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)。
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小动物活体成像技术是一种用于非侵入性的观察小动物体内活动的技术。
它可以通过显影小动物的生物分子、细胞、组织、器官以及整体结构，从而获取关于它们的形态、功能和代谢信息。
在医学研究、药物研发和临床诊断中，小动物成像技术具有重要的应用价值。
1.光学成像：光学成像是利用光线通过生物组织时的散射和吸收特性来观察和记录组织的形态和功能。
这种技术包括荧光成像、双光子显微镜、光声成像等。
其中，荧光成像是利用特定的分子标记物与目标分子结合后的荧光信号进行成像，而双光子显微镜则采用长波长激光来更深入地穿透生物组织进行成像。
2. 核磁共振成像（MRI）：MRI利用静磁场和脉冲磁场来获取生物组织的形态和功能信息。
其原理是通过对核自旋在静磁场中的预cession以及脉冲磁场的激发和接收来获取信号，并通过计算重建成图像。
3.正电子发射断层扫描（PET）：PET利用放射性同位素标记的生物分子来观察和记录生物组织的代谢、功能和分布情况。
其原理是标记荧光物质与目标分子发生放射性衰变并释放正电子，然后通过正电子与电子相遇并发生湮灭反应，产生两个光子，再通过和PET仪器接收器相遇并形成探测信号，最终通过计算重建出成像。
1.选择合适的动物模型：根据实验目的和需要，选择适合的小动物模型，例如小鼠、大鼠等。
确保动物的健康和生理状况符合实验要求。
2.准备适当的标记物：根据研究需求，选择合适的标记物。
标记物可以是荧光染料、放射性同位素、磁共振对比剂等，用于标记目标分子或组织。
3.标记物注射或给药：将选择的标记物进行注射或给药，使其能够与目标分子或组织结合。
4.成像设备设置：根据实验要求，将成像设备进行适当的设置，例如调整光源、控制磁场强度等。
5.成像操作：对标记物注射或给药后的小动物进行成像操作。
操作过程中可以根据需要调整成像参数，如曝光时间、扫描时间等。
6.数据分析和解释：对成像结果进行数据分析和解释，提取关键信息，评估实验效果，并与其他实验数据进行比较和验证。
五种常见的小动物活体成像技术
五种常见的小动物活体成像技术01前言动物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。
随着小动物成像技术的发展，活体小动物非侵袭性成像在临床前研究中发挥着越来越重要的作用，涌现出了各种小动物成像的专业设备，为科学研究提供了强有力的工具。
小动物活体成像技术主要分为五大类：可见光成像(Optical)、核素成像(PET/SPECT)、计算机断层摄影成像 (CT)、核磁共振成像(MRI)、超声成像（Ultrasound)。
02小动物活体成像设备特点、应用及优缺点1.可见光成像设备体内可见光成像包括生物发光与荧光两种技术。
前者是动物体内的自发荧光，不需要激发光源，而后者则需要外界激发光源的激发。
1.1生物发光设备：生物发光是用荧光素酶基因标记DNA，利用其产生的蛋白酶与相应底物发生生化反应产生生物体内的光信号。
标记后的荧光素酶只有在活细胞内才会产生发光现象，并且发光强度与标记细胞的数目呈线性相关。
1.2荧光设备：荧光技术则采用荧光报告基因（GFP、RFP）或荧光染料（包括荧光量子点）等新型纳米标记材料进行标记，利用报告基因产生的生物发光、荧光蛋白质或染料产生的荧光就可以形成体内的生物光源。
可见光成像优势与应用：使用低能量、无辐射、对信号检测灵敏度高、实时监测标记的活体生物体内的细胞活动和基因行为，被广泛应用到监控转基因的表达、基因治疗、感染的进展、肿瘤的生长和转移、器官移植、毒理学、病毒感染和药学研究中。
可见光成像的主要缺点：二维平面成像、不能绝对定量。
发展前景：目前仅仅停留在仿体和小动物实验阶段,尚未进入临床应用，在许多方面仍需进一步改进和完善.寻找新的高量子效率荧光团，改进重建算法、拓展新型光学成像技术、提高图像分辨率是未来的重要任务。
2.核素成像设备PET、SPECT是核医学的两种显像技术，相同之处是都利用放射性核素的示踪原理进行显像，皆属于功能显像。
小动物活体成像
谢谢！
左图：1nmol IRDyr 800CW RGD Probe的注 射量24h后迚行观察，可 见左臀的U87细胞肿瘤和 右臀的A431细胞肿瘤。
靶向型肿瘤探针
PEG Contrast Agent：肿瘤细胞的血管具有增强渗 透性和滞留性 (Enhanced Permeability and Retetion, EPR)，肿瘤微环境中的血管内壁通常是不 连续性的，使得分子能够向邻近的组织扩散；此外， 这些区域内的淋巴排毒作用较弱，使得大分子在此积 累。IRDye 800CW PEG (25-60 kDa) 是非特异性 示踪试剂，积累在肿瘤生长部位的淋巴处，以此来失 踪肿瘤，也可作为淋巴的示踪剂。
5. 基因表达模式与基因功能研究
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，观察目的 基因的表达模式。
6. 蛋白质相互作用
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。
左图：注射1nmol探针4h 后，可见肿瘤不其周围的 血管。
靶向型探针
Cell Labeling ：荧光基团标记的脂肪族烃长链，通 过疏水作用插入细胞的磷脂双分子层，不可逆性地标 记细胞，且不影响细胞正常的生理活动，用于示踪特 定细胞克隆群在小动物体内的迁移生长。
上图：示踪定位于肺毛细管床的移植细胞。
动物活体成像技术
ANIMAL VIVO IMAGING TECHNOLOGY
张严 2013.7.15
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Label Proteins
荧光成像模式
荧光成像探针及应用
荧光成像技术之多模态
多模态
精准定位
荧光成像技术之光谱分离
荧光成像技术之光谱分离
分离自荧光
分离不同探针荧光
荧光成像技术之透射成像技术
提高穿透深度
提高信噪比
荧光成像技术之定量
对于生物发光信号定量，IVIS技术检测的数据是动物体表绝对发光量，即单位时间、 单位面积、单位弧度从动物体表发出的绝对光子数（photons/sec/cm2/sr），应用 这种定量标准，可保证研究人员对不同时间点或应用不同拍摄参数进行成像的结果 具有可比性及可重复性；
组织自吸收与散射 近红外光区成像
穿透深度
荧光成像原理
背照式
反射成像
荧光成像探针及应用
Luciferase
Fluorescent dyes
+ ATP and O2 – Live cells
+ D-luciferin substrate
+ excitation light source
Transfection
Transfetin cell/protein labeling
Fluorescent Proteins
Quantum dots
and
Nanoparticles
Direct cell/protein labeling Direct
Genetic Marker
生物发光模式
Label Cells Label Bacteria
对于荧光信号定量，IVIS技术充分考虑到了激发光的波动及激发区域的不均匀性等 特点，而采用Radiant Efficiency（photons/sec/cm2/sr/uw/cm2）为定量单位，同 样保证了定量数据的准确度及重复性
荧光成像技术之三维成像
荧光成像技术之使用说明
一小时内1500元，一小时后1000元/小时；院内5折，校内8折 由于动物实验的准备时间长，因此只允许10天后45天内的预约，预约后请将测试协议 书发送给李桢老师zhenli@，李桢老师审核通过后，再安排后续测试。
中心仪器设备
PET-CT
上转换测试平台
上转换光成像 三维活体成像
MRI scanner 310 mm (0-3T)
FV1200(上转换显微成像)
SPECT-CTmaging
Photoacoustic Tomography
Raman imaging
光学成像