多模式活体成像系统
活体成像技术在脑科学中的应用
活体成像技术在脑科学中的应用人的大脑是神经系统的控制中心，对于人类认知、情感和行为的产生起着至关重要的作用。
然而，人类对于大脑的运作机制一直存在很多的疑问。
近年来，随着医学技术的不断进步，人们越来越多地开始关注一种新型的成像技术：活体成像技术。
这种技术使得科学家们能够深入探究人类大脑的神秘运作机制。
本文将探讨活体成像技术在脑科学研究中的应用与前景。
一、活体成像技术简介活体成像技术（in-vivo imaging）是一种科学家们可用来进行动态观测的一种技术，它可以准确地捕捉人体内部器官的活动过程，比如神经连通和分化过程中的细小变化。
它的工作原理是利用成像装置将荧光标记分子或受体植入被观察的生物体内，然后利用荧光激发成像的方式对其活动过程进行实时、非侵入性观测及定量分析。
由于其具有活体、动态、高精度、非侵入性等特点，所以成为生命科学研究热门领域。
二、1.观察神经元的活动神经元活动是构成大脑运作的基础。
活体成像技术可以通过在小鼠的大脑区域引入荧光探针，对神经元的活动过程进行实时监测。
医学研究人员可以通过观测神经元的活动过程来探究人类思维的本质，比如记忆形成和意识提高等。
2.监测神经发育和再生成神经元的生长和再生是一个复杂的过程。
神经元有着高度的可塑性，在某些条件下可以重塑和再生。
因此，活体成像技术可以用来监测神经元发育、再生和重编程的过程。
例如，医学研究人员可以将荧光标记植入神经元周围的组织，以观测神经元的重塑过程。
3.识别神经细胞的类型在大脑中有数百种不同类型的神经细胞，各种细胞之间的互动和关系影响大脑的行为和智力。
活体成像技术可以有效地鉴定各种类型的神经细胞，并了解它们之间的联系及互动方式。
这使得这项技术在神经系统疾病的研究方面具有更广阔的应用前景。
三、活体成像技术的前景活体成像技术在脑科学研究中具有很大的优势，如非侵入性、高精度和高灵敏度等，但同时也面临着很多挑战，比如图像分辨率的限制、对生物体的影响等。
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。
生物医学光学第四组-活体成像技术课件
05
CATALOGUE
活体成像技术的应用案例
肿瘤研究
肿瘤标记物检测
利用活体成像技术检测肿瘤细胞表面或内部的标记物，实现肿瘤 的早期发现和定位。
肿瘤生长与扩散监测
通过定期对同一只动物进行成像，观察肿瘤的生长、转移和扩散 情况，评估治疗效果。
药物疗效评估
通过比较治疗前后肿瘤的大小、形态和荧光强度等指标，评估药 物治疗的效果。
02
药物代谢与分布研 究
研究药物在体内的代谢过程、分 布情况以及与靶点的结合情况， 为新药研发提供依据。
03
毒理学研究
通过观察药物对生物体的毒性作 用和损伤情况，评估药物的毒性 和安全性。
生物医学工程与再生医学研究
组织工程与再生医学
利用活体成像技术观察组织工程材料在体内的降解和再生过程，为 组织工程和再生医学研究提供支持。
未来活体成像技术将进一步提高灵敏度和 分辨率，以便更准确地检测和诊断疾病。
通过改进技术和设备，降低活体成像技术 的成本和时间成本，使其更具有实际应用 价值。
拓展应用范围
与其他技术的结合
未来活体成像技术的应用范围将进一步拓 展，不仅局限于医学领域，还将应用于生 物学、农业等领域。
未来活体成像技术将与其他技术如基因测 序、蛋白质组学等相结合，形成更为综合 的生物医学检测和分析方法。
活体成像技术可以实时监测生 物体内的情况，有助于及时发
现和诊断疾病。
无创无损
活体成像技术通常不需要侵入 生物体内，因此对生物体无创
伤、无损害。
高灵敏度
活体成像技术具有高灵敏度， 可以检测到生物体内微小的变
化。
可视化效果
活体成像技术可以将生物体内 的变化以图像的形式直观地展 现出来，便于观察和理解。
Carestream多模式活体成像系统
Carestream多模式活体成像系统
该系统集多种成像模式于一身，特别是数码X光成像实现精确结构成像，与荧光成像等功能成像组合应用，确保图像真实。
荧光独有激发光多光谱分析功能，可有效消除自发背景荧光，并实现多种荧光素的鉴定和分离。
1.多种成像模式：X光成像、荧光成像、生物学发光成像、同位素成像、体
外成像。
2. 特有的X光功能：清晰展示生物体整体解剖学结构，借助各种造影剂，
还可展示特定器官及血管。
3.荧光激发光多光谱分析：信息量大特异性强，可有效消除自发背景荧光，
并实现多种荧光素的鉴定和分离。
4.信噪比高：恒温-29℃冷CCD与热噪音背景扣除技术结合，有效消除热
噪音。
5.近红外区域更广：380-780nm的激发波段和高达830nm的检测波长，可降低动物自体荧光的干扰。
IVIS LuminaXR活体成像系统简易操作手册
Xenogen IVIS LuminaXR系统中文简易操作手册中文简易操作手册IVIS LuminaXR系统开机1. 启动计算机；2. 开启相机电源，开启主机电源（为在imaging chamber后方），如需荧光检测开启荧光光源电源，如需使用X射线开启X射线光源（将钥匙旋向ON，并手动开始警示灯）；3. 仪器开启后，点选桌面上Living Image图标，启动程序；4. 启动程序后，系统会要求点选个人ID进入。
若为新使用者，请键入英文字母作为ID名称；5. 画面出现control panel，按下“initialize IVIS system”，启动整套IVIS系统；6. 待机器完成启始动作后，control panel 中的温度状态灯号为红色，等候约5-10分钟后温度降低，灯号转绿就可进行影像获取工作，此外按下温度灯号也可以观测目前CCD的温度及设定载台温度。
IVIS LuminaXR 系统关机一般不建议作关机动作，因为软件会进行每天的背景值侦测作业，所以计算机及主机都不建议关闭。
除非有长时间不会使用到机器，才建议作关机作业。
1. 关闭软件：请点选主画面中“Living image”中的“Exit”；2. 依次关闭仪器电源（X光光源，荧光光源电源，相机电源，主机电源）；3. 关闭计算机电源。
Living image 软件操作1. 将老鼠或样品放入观察箱中关上门后，调整control panel中的参数设定。
2. 模式选择：依照样品种类选择“luminenscence”或者“fluorescence”，根据需要选择“X-Ray”。
3. Exposure Time：单位有sec及min可选择。
可利用鼠标或是数字键更改数字。
4. Binning：依所需影像画质选择，Binning数值越高，灵敏度越高但分辨率越低。
6. f/stop光圈：光圈大小，1>2>4>8，光圈越大，采集光信号越多。
活体成像counts
活体成像counts.s一、引子自从Roentgen发现了X光的用途，动物活体成像就走进了科学家的视野。
活体成像有很多种模式，除了X光的离子辐射成像，还有声音、磁铁甚至光光成像。
每种都有缺点和优点，举例来说，要确定解剖结构的位置和形状，CT扫描、MRI、超声波可能是较好的选择，但涉及到肿瘤细胞的注射位置、表达层面，他们就不能提供必要的信息。
光学成像：化学发光和荧光技术出现了几十年了，由于其相对低的花费、容易操作、高灵敏度、能长期追踪、低毒性等特点而成为活体成像中有效的方法。
“荧光探针和化学发光报告子技术的发展使光学成像在临床前分子成像方面得到广泛应用”加利福尼亚州的Simon Cherry 说。
早在利用结构成像检测拓扑学变化前，光学成像就确立了其在小动物模式下药物合成方面的潜能。
它还打算建立小动物疾病的生物标记，最终应用到临床上。
二、化学发光和荧光技术的原理化学发光和荧光的原理都很简单，前者产生萤火虫和海里生物的光，这是荧光素酶和其底物发生反应的结果，产生电子激发状态，然后发光。
通过生物工程操作，细胞甚至动物都可以产生荧光素酶，其他象ATP和钙离子也能发生类似反应，这样化学发光成为多种分析方法的有效工具。
荧光技术和化学发光相似，只不过是荧光分子在不同波长下得到激发，寿命更短些，类似磷光。
三、活体成像利用这些原理，驱动转基因荧光素酶的启动子、荧光标记的抗体和药物都可以在活体动物上成像，动物注射被静脉荧光素底物或药物后，关在不透光的密室内，一旦荧光素酶和底物反应，发出的光被化学发光检测系统捕获。
同样，荧光成像系统对抗体或药物成像。
精密的检测系统和软件把从动物体内采集到的信号转成图像呈现在屏幕上。
有些成像系统可以同时检测5个动物，通过持续输入麻醉剂，能长时间采集信号。
数据是动态且长期的，长达数小时、数天、甚至几个月。
四、各厂家的活体成像有什么不同？--唇枪舌战然而小动物光学成像系统并不一样，有些参数需要考虑，每个系统提供它自己的生产、采图和处理数据，但是他们在某些地方做的好不好是非常不同的。
活体成像系统
活体成像系统（in vivo imaging system）主要采用生物发光（bioluminescence）和（fluorescence）两种技术在活体动物内进行生物标记，通过成像系统来检测被标记的动物体内分子和或细胞的生物发展进程，并进行相关的生物、药物治疗研究，在体外检测、干细胞研究、纳米药物的传输等方面有着广泛的应用。
1.利用活体成像系统标记、示踪干细胞活体成像实验中常用萤火虫荧光素酶或亲脂性荧光素染料直接标记干细胞，从而监测干细胞在活体动物内的移植、存活、增殖；示踪干细胞在体内的分布于迁移；诱导多能干细胞在移植鼠体内的分化存活及免疫排斥。
利用生物发光和荧光不但可以监测到活体内细胞增殖，还可监测凋亡细胞事件，标记凋亡细胞可用于包括AIDS、神经退行性疾病、脊髓炎综合征、缺血／再灌注损伤及肿瘤等细胞增殖一调亡的平衡被破坏而发生的一系列相关疾病的研究。
2.利用活体成像系统进行纳米诊断癌症早期精准检测诊断对其治疗具有重要的意义，肿瘤标志物的传统检测方法存在敏感性与特异性方面的问题。
对于早期诊断来说，诊断灵敏度是其中至关重要的因素。
利用纳米粒子的独特的光、电、热、磁和力学性能，可以显著增强检测的灵敏度与特异性。
目前，基于纳米粒子的肿瘤疾病诊断技术主要包括早期肿瘤标志物检测技术、活体动态多模式影像诊断技术等。
例如，将能够识别肿瘤细胞表面受体的特异性配体与纳米粒子结合，待纳米粒子与肿瘤细胞特异性结合后，利用物理方法如测试传感器中的磁讯号、光讯号等，通过成像系统显影，能够对体内是否存在恶性肿瘤进行早期诊断。
除了诊断功能外，利用纳米诊断材料与肿瘤细胞结合的特性，进行肿瘤细胞示踪与捕获杀灭，实现诊断-治疗一体化是肿瘤纳米诊断治疗技术的重要目标。
3.利用活体成像系统检查标记的肿瘤细胞或抗肿瘤药物在肿瘤研究中，活体成像技术被用来检测肿瘤的生长，从而对基因治疗和抗癌药物的药效的进行评价，此外还应用于多种癌症，如肺癌、乳腺癌、膀胱癌等的活体动物模型的建立。
多模态跨尺度生物医学成像设施
药物研发
01
02
03
药物作用机制研究
利用成像技术观察药物对 生物分子、细胞、组织器 官的作用，探究药物的作 用机制。
药物筛选与验证
通过成像技术对候选药物 进行筛选和验证，提高药 物研发的成功率和效率。
药物疗效评估
利用成像技术评估药物对 疾病的治疗效果，为药物 的进一步研发和应用提供 依据。
医学诊断
设施的技术原理
成像原理
多模态跨尺度生物医学成像设施利用不同模式的成像技术，如光学显微镜利用光的散射和反射成像， X射线利用穿透性成像，核磁共振利用磁场和射频场成像等。
跨尺度成像原理
该设施通过调整成像系统的参数，如焦距、放大倍数等，来实现不同尺度的成像。在细胞尺度，使用 高倍率显微镜；在组织尺度，使用低倍率显微镜；在整体尺度，使用X射线或核磁共振等大尺度成像 技术。
电子显微镜
电子显微镜是用于观察超微结构和纳米尺度的成像工具。
电子显微镜利用电子替代了传统的光线来观察样品，具有更高的分辨率和放大倍数。它可以观察超微结构、病毒、细菌等微 小物体，并且可以进行三维重构和元素分析等高级功能。
核磁共振仪
核磁共振仪利用核自旋磁矩进行研究，可以提供分子结构和 代谢过程的信息。
多模态跨尺度生物医学成像设施
目录
• 设施介绍 • 设施的硬件设备 • 设施的软件系统 • 设施的应用案例 • 设施的发展前景
01
设施介绍
设施的组成和功能
组成
多模态跨尺度生物医学成像设施主要由成像系统、控制系统、数据处理系统等 组成，各部分相互协作，实现从宏观到微观的全方位生物医学成像。
功能
该设施能够进行多种模式的成像，包括光学显微镜成像、X射线成像、核磁共振 成像等，同时还能实现跨尺度的成像，从细胞尺度到组织尺度，再到整体尺度 。
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多模式活体成像系统
院系：分子医学所
多模式活体成像系统
新药筛选和评价（主要包括小核酸药物机理研究，小核酸药物靶向递送研究，小核酸新药开发）；基因表达调控研究（主要为
国家重大新药创制重大专项课题“基于新靶点基因的抗脂肪肝小核酸药物的临床前研究”
SR008的稳定化、药效学、药代和给药制剂开发研究”
SR008药物制剂的临床前研究”
药物活性影响的机理研究”
血清稳定性研究及其在小核酸制药中的应用”
三年内利用该仪器作为主要科研手段发表学术论文（三大检索） 14 篇，其中代表论文：
论文题目期刊名年卷（期）起止页码
The effect of guanidinylation of PEGylated poly(2-aminoethyl methacrylate) on the systemic delivery of siRNA.Biomaterials2013
34
（12）
3120-3131
Binary and ternary complexes based on polycaprolactone-
graft-poly (N, N-dimethylaminoethyl methacrylate) for Biomaterials201233
（18）
4653-4664
Structural contributions of blocked or grafted poly (2-dimethylaminoethyl
methacrylate) on PEGylated polycaprolactone nanoparticles in Biomaterials201132
（33）
8730-8742
Ternary complexes of amphiphilic polycaprolactone-graft-poly (N,N-dimethylaminoethyl methacrylate), DNA and polygluamic acid-graft-poly (ethylene glycol) for gene delivery.Biomaterials201132
（18）
4283-4292
622。