小动物活体成像
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。
小动物活体荧光成像生物发光实验步骤
小动物活体荧光成像生物发光实验步骤随着生物学技术的不断发展，活体荧光成像技术已经成为了研究生物体内生物学过程的重要手段之一。
通过活体荧光成像技术，研究人员可以实时观察到小动物体内的生物发光信号，揭示生物体内的分子过程和疾病发生的机制。
以下是一般小动物活体荧光成像生物发光实验的步骤，供感兴趣的研究人员参考。
实验材料准备1. 小动物：选择适合的实验小动物，例如小鼠或斑马鱼等。
2. 荧光成像仪：选择适合的活体荧光成像仪器，以保证实验成像的清晰度和准确性。
3. 示踪剂：根据实验需要选择合适的荧光示踪剂，例如荧光蛋白或荧光染料等。
4. 外源激发源：准备合适的外源激发源，用于激发小动物体内的荧光信号。
实验操作步骤1. 实验前准备：将实验用小动物按照规定的操作流程进行麻醉或固定，以保证实验操作的安全性和准确性。
2. 示踪剂注射：根据实验设计，将选定的荧光示踪剂通过适当的途径注入小动物体内，可以是静脉注射、腹腔注射等。
3. 示踪剂激发：在示踪剂注射后，根据实验需要，使用外源激发源对小动物体内的荧光示踪剂进行激发，激发的光源要根据示踪剂的激发波长进行选择。
4. 荧光成像：使用荧光成像仪器对小动物体内的荧光信号进行实时观测和成像，在观测过程中要注意调节成像仪器的参数，以保证成像的清晰度和信号的准确性。
5. 数据分析：实时观测并记录荧光成像的数据，根据实验设计进行数据分析和结果统计，揭示小动物体内的生物发光信号的分布和强度变化。
注意事项1. 实验操作要严格按照规定的操作流程进行，确保实验的准确性和可重复性。
2. 在注射示踪剂和激发荧光信号的过程中，需要注意对小动物的生理状况和实验操作的影响，以减少对小动物的伤害和干扰。
3. 荧光成像过程中要注意对成像仪器的参数进行调节，以获得清晰准确的荧光信号成像数据。
4. 在数据分析过程中，要根据实验设计进行结果的统计和分析，确保实验结果的科学性和可信度。
5. 实验结束后要对小动物进行恢复和护理，确保小动物的健康和安全。
小动物活体成像的原理
小动物活体成像的原理X射线成像是一种常见的医学成像技术，它利用X射线的穿透能力，将小动物的内部结构投影到X射线片上。
X射线片上的图像显示出不同组织的不同程度的吸收能力，从而形成清晰的图像。
这种技术特别适用于骨骼成像，可以帮助医生诊断骨折、畸形和其他骨骼问题。
然而，X射线成像对软组织的成像效果相对较差，因为软组织对X射线的吸收能力较低。
MRI（磁共振成像）是一种基于磁场和无线电波的成像技术，它可以生成高分辨率的图像，显示出小动物的内部结构和组织。
MRI利用磁场和无线电波与人体内的氢原子核相互作用，进而生成图像。
不同组织中的氢原子核会以不同的方式响应磁场和无线电波，从而形成不同的信号。
通过对这些信号的分析，可以得到高质量的图像，可以清晰地显示出小动物的内部结构。
PET（正电子发射断层成像）是一种核医学成像技术，它利用放射性同位素的分布来成像。
在PET扫描中，小动物被注射一种含有放射性同位素的物质，这种物质会发射出正电子。
当正电子与负电子相遇时，会产生两个相互运动的光子，这两个光子沿着相反的方向飞行。
PET仪器能够探测到这两个光子，并利用它们的信息来重建出小动物内部的三维图像。
PET扫描特别适用于研究小动物的代谢和功能活动，如脑部活动和肿瘤发展等。
除了以上介绍的成像技术，还有许多其他的小动物活体成像技术，如超声成像、光学成像和多光子显微镜等。
这些技术各有特点，可以用于不同类型的研究和临床应用中。
例如，超声成像是一种通过声波的反射和传播来成像的技术，可以实时观察小动物内部的结构和运动。
光学成像则利用光的散射和吸收特性来成像，适用于观察小动物的血流和氧合情况。
多光子显微镜则结合了光学和激光技术，可以实现高分辨率的三维成像。
小动物活体成像技术为科学家们提供了一种非侵入性的手段，可以深入了解小动物的内部结构和功能。
这些技术在医学研究、药物开发和疾病诊断等方面都有重要的应用价值。
随着科技的不断进步，相信小动物活体成像技术将会越来越先进，为科学家们带来更多的发现和突破。
小动物活体成像的影响因素
小动物活体成像的影响因素小动物活体成像是一种非侵入性的医学成像技术，用于观察和研究小动物的生理和病理过程。
这项技术能够提供活体动物的解剖、生理和代谢信息，对于疾病的早期诊断和治疗研究具有重要意义。
小动物活体成像的结果受多种因素的影响，本文将重点讨论这些影响因素。
1.动物的物种和品系：不同物种和品系的动物对活体成像的结果可能存在差异。
这是因为不同动物的解剖结构和生理特征各异，影响了成像结果的质量和可读性。
因此，选择合适的物种和品系对于研究和结果的可靠性至关重要。
2.动物的年龄和体重：年龄和体重是影响活体成像结果的重要因素。
年龄和体重的差异可能导致不同年龄和体重的动物在成像上存在差异，比如成像信号的强度和分辨率。
因此，在活体成像研究中应该尽量选择相似年龄和体重的动物。
3.麻醉的方式和剂量：麻醉是进行小动物活体成像的必要步骤，麻醉方式和剂量的选择对成像结果具有重要影响。
不同的麻醉药物和剂量可能对动物的生理状态产生不同的影响，进而影响成像结果的质量和可读性。
因此，在活体成像实验中应该选择合适的麻醉方式和剂量。
4.成像设备和技术：成像设备和技术是影响活体成像结果的关键因素之一、不同的成像设备和技术具有不同的成像原理和参数，对成像结果的质量和分辨率有直接影响。
因此，在活体成像实验中应该选择适合的成像设备和技术，并合理控制成像参数以获得更好的成像效果。
5.染料和探针的选择：染料和探针在活体成像中扮演着重要的角色，它们能够标记和突出特定的生物过程和分子靶点。
不同的染料和探针具有不同的理化性质和生物分布特征，对成像结果的质量和可读性有直接影响。
因此，在活体成像实验中应该选择适合的染料和探针，并合理控制其使用和浓度。
6.环境条件和动物处理：环境条件和动物处理是影响活体成像结果的关键因素之一、不适合的环境条件和不合理的动物处理可能导致动物应激反应和体内代谢变化，从而影响成像结果的质量和可读性。
因此，在活体成像实验中应该为动物提供适宜的环境条件和合理的处理方法。
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。
ivis小动物活体成像原理
ivis小动物活体成像原理IVIS小动物活体成像技术是一种非常先进的体内活体成像技术，通过利用进阶成像技术，可以观察小动物体内的生物过程，对小动物模型的生理状况等进行研究，从而为治疗疾病的研发提供基础支持。
IVIS小动物活体成像技术的原理IVIS小动物活体成像技术的原理是利用各种光源激发小动物体内的荧光信号，通过荧光信号的强度或荧光成像分析来诊断或分析小动物的整体或某一组织器官的代谢。
荧光成像可以用于实时监测小动物模型的生理过程，观察细胞、分子和肿瘤的病理学表现，评估药品的治疗效果。
在IVIS小动物活体成像技术中，有三个主要的成像原理：1. 荧光素生物成像原理荧光素在小动物体内氧化成荧光素酶，荧光素酶可以将D-luciferin转化成氧化荧光素（Luciferase）。
Luciferase反应会放出能量以荧光形式发射，产生很强的荧光信号。
2. 量子点生物成像原理量子点是一种可以发光的半导体纳米粒子，由于量子点在空间和时间的分辨率非常细致，在感受器官、观察分子生物学过程方面得到了广泛的应用。
因此，量子点被广泛地应用在活体成像领域。
3. 彩色化学成像原理彩色化学成像采用与荧光素和量子点相比更加分散，但是可以通过化学发光实现成像，例如X荧光素染料（X-gal）是一种产生蓝色信号的底物，可以用来检测beta-加氧酶活性。
IVIS小动物活体成像技术的应用IVIS小动物活体成像技术已经成功地应用于心血管和内分泌疾病研究、生物感应和疫苗研发、神经退行性疾病、血液学、癌症和肿瘤治疗等方面。
其中，荧光素生物成像技术在肿瘤研究方面得到了广泛的应用。
研究人员可以使用体内植入的荧光素表达载体，作为标志基因，导入肿瘤细胞中，通过活体成像技术观察肿瘤初次出现、生长、扩散等现象，从而为治疗癌症提供了宝贵的信息和基础支持。
IVIS小动物活体成像技术的优势IVIS小动物活体成像技术比传统的动物实验更加高效和拥有更强的伦理意义。
传统的动物实验需要大量的动物和时间来获得有效的实验结果，还需要对动物进行不同层次的观察，而IVIS小动物活体成像技术不仅可以在同一小动物体内进行多个实验，而且需要的动物数量只有传统实验的十分之一，从而大大减少了对小动物的伦理影响。
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Genetic Marker
Label Cells Label Bacteria
Label Proteins
超高灵敏度CCD—最低的温度最少的噪 音
-90℃
-50℃
-30℃
超高灵敏度CCD—最高的量子效率
量子效率(Quantum Efficiency)—— 发射出的光子数量与检测器 光子数的比值，用以表诉CCD在不同波长下的响应值
Optical imaging showed Listeria can replicate in the murine gall bladder
感染性疾病
Effects of Antibiotics on S. aureus Biofilm Infections
Day 7 Untreated Control Day 9 Day 12 Day 16 Day 22
CCD Optics
• 透过灵敏的光学元件及CCD， 可将光学信号转成电子信号， 再转换成图像输出。
Bioluminescent Source
Imaging Basics – Reporter Molecules
Luciferase
Fluorescent dyes
+ ATP and O2 – Live cells
Precision filters
Low f-number and large diameter lens
Single cell (flux: 460528 photons/sec)
Gives high sensitivity and uniform light collection
Rabinovich et al, PNAS,2008
中草药抑制癌症 研究
粉防己碱 — TET 抑制人类结直肠癌 HCT116 — 人类结直肠癌细胞系
中医方向研究
刮痧的过程上调血红素加氧酶。 血红素加氧酶对细胞起到保护作 用，能对抗氧化压力
天津医科大学肿瘤医院 公共实验室 杨毅
从体外到体内-从实验室到临床
从侵入式到非侵入式动物实验
长时间观测 降低个体间差异 减少动物用量 Traditional Methodology = 24 animals over four treatment points
Time point 1
Time point 2
检测残余病灶
药物研究
Luc标记的前列腺肿瘤细胞株皮下模型
3 weeks of vehicle treatment
3 weeks of paclitaxel treatment a false cure by palpation
感染性疾病
No Additional Substrate Needed
5 6
medium
Radiance: Photons per second
整体解决方案
标记 技术
荧光素酶基因标记的 细胞、细菌和转基因动物
成像 检测
高灵敏度的可见光检测设备：
定量 分析
定量分析方案
Non-Invasive Detection of Micrometastases
癌症研究
5×105 4T1-luc2-1A4 cells orthotopically into the abdominal mammary fat pads
Kim et al, pLOs One et al, 2010
In vivo imaging of s.c. implanted T cells transduced with optimized firefly luciferase (left) and a ‘single’ 4T1 breast cancer cell (right)
microPET microCT
microSPECT
Optical bioluminescence
Optical fluorescence
microMRI
光学成像的优势
1.高通量 2.无辐射问题
3.操作简易
4. 功能性成像 5. 多模式成像 (生物发光 及 荧光 )
光学成像原理-活体成像
• 体内光源发出的光，经过散射 吸收後到达表面形成光斑。
Rifampin 25mg/kg
Ciprofloxacin 15 mg/kg
Tobramycin 20 mg/kg
干细胞研究
Co-registration of IVIS data with other modalities (e.g. PET) offers complementary insights into biological processes
精诺真的绝对定量功能-原始数据
Raw Signal (Counts)
Exp time: sec Binning: Day:
1600
30 sec small 1
30 sec small 2 3
60 sec small 4
60 sec small
60 sec medium 5
60
medium 6
Peak Counts
Time point 3
Time point 4
PE Methodology = the same 6 animals over four treatment points
Time point 1
Байду номын сангаас
Time point 2
Time point 3
Time point 4
光学成像 Optical imaging
1200 800 400
精诺真的绝对定量功能-绝对定量
Calibrated Signal (Photons per second)
Exp time:
30 sec
30 sec
60 sec
60 sec
60 sec
60 sec
Binning:
Day:
small
1 2
small
3
small
4
small medium
+ D-luciferin substrate
Fluorescent Proteins
Quantum dots and Nanoparticles
+ excitation light source
Transfection Transfetin labeling
Direct cell/protein labeling Direct cell/protein
Wavelength (nm)
超高灵敏度CCD-最高的体内检测灵 敏度
Cooled (absolute -90C) camera with large CCD chip area for high sensitivity light detection Most sensitive system available Resolves multiple bioluminescent reporters Detects down to even a single cell in vivo
BLI (top): ES cell viability and proliferation (biological quantitation)
PET (bottom): resolved migratory patterns and clinical translatability
干细胞研究
Bioluminescence Imaging of Neuronal Stem Cell Migration
100 90 80
Qunatum Efficiency (%)
70 60 50 40 30 20 10 0 400 500 600 700 800 900
在同一波长下QE值越高 CCD品质越好
CCD对于不同波长的光的 响 应时间的敏感度不同
背照式CCD比前照式CCD 有更好的量子效率
EEV 47-10 Kodak 2001