光學(xué)分子成像（OMI）結(jié)合了不同的光學(xué)成像技術(shù)和不同的分子增強(qiáng)方法，有望在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來革命性的突破。

作者：Gail Overton

 來自市場(chǎng)調(diào)研公司Strategies Unlimited的預(yù)測(cè)顯示，到2014年，活體光學(xué)分子成像市場(chǎng)將達(dá)到4億美元，到2020年底將達(dá)到10億美元。目前，許多公司已經(jīng)將光學(xué)分子成像技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室?guī)У搅伺R床應(yīng)用中，希望該技術(shù)能在疾病的診斷、治療及治愈方面引領(lǐng)新的革命。

 OMI的定義：使老鼠發(fā)光

光學(xué)分子成像（OMI）可以籠統(tǒng)地定義為分子水平上的可視化化學(xué)過程。一般來講，用于獲取視覺圖像的工具就是一個(gè)低成本的光學(xué)顯微鏡或一個(gè)簡(jiǎn)單的成像裝置�；瘜W(xué)誘導(dǎo)熒光探針或分子內(nèi)的其他“可視”特征用于實(shí)時(shí)成像觀測(cè)，圖像可以被來自其他成像方式的數(shù)據(jù)合并或覆蓋。還有其他OMI方法單獨(dú)使用光譜特征，以在眾多分子中區(qū)別出某些特定分子，這種技術(shù)稱為“無標(biāo)記”成像。

 熒光蛋白，例如綠色熒光蛋白（GFP，最初從水母和克隆中獲�。┖蜕�物熒光（如取自螢火蟲的蛋白質(zhì)）都是非常有用的研究工具，它們能夠用于更好地理解活體細(xì)胞和組織中的蛋白質(zhì)與酶的相互作用以及退化機(jī)制。染料可以連接到特定的抗體、多肽或特定目標(biāo)細(xì)胞的小分子。活性探針可以植入到與轉(zhuǎn)移過程相關(guān)的酶中，發(fā)出熒光信號(hào)。此外，在腫瘤細(xì)胞中可以植入熒光蛋白質(zhì)，使細(xì)胞內(nèi)部流程可以被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

熒光團(tuán)和基因處理這兩種技術(shù)有其各自的支持者和反對(duì)者。 “如果你染頭發(fā)，你要重復(fù)這個(gè)過程，因?yàn)樾麻L(zhǎng)出來的頭發(fā)不包含染料。但基因是永遠(yuǎn)的：您可以把GFP鏈接到其他蛋白質(zhì)或基因上以控制細(xì)胞分裂、新陳代謝或呈現(xiàn)頭發(fā)的顏色，該基因可以在動(dòng)物體內(nèi)存活一生。”美國(guó)AntiCancer公司首席執(zhí)行官Robert Hoffman說，“我們甚至還開發(fā)了一種具有綠色毛發(fā)的老鼠，未來我們還可以對(duì)人類的頭發(fā)進(jìn)行基因處理以呈現(xiàn)出各種顏色。”

AntiCancer公司是開發(fā)小型動(dòng)物熒光成像技術(shù)的先驅(qū)，也是第一家將GFP用于活體小型動(dòng)物成像（見圖1）的公司。^[1] AntiCancer公司目前在市場(chǎng)上銷售腫瘤轉(zhuǎn)移老鼠模型MetaMouse——這是天生具有免疫缺陷的裸鼠，其體內(nèi)包含一些GFP呈現(xiàn)或其他有色蛋白呈現(xiàn)的人體腫瘤細(xì)胞，用于活體功能成像。“當(dāng)然，MetaMouse更大的優(yōu)勢(shì)是：人們僅需要使用廉價(jià)的激勵(lì)光源和光學(xué)濾波器，就能夠?qū)�這些會(huì)發(fā)光的老鼠成像。因此OMI技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)就是其能夠被研究人員廣泛使用。”Hoffman說道。

圖1：裸鼠通過基因改造，可以在目標(biāo)組織或整個(gè)身體中表現(xiàn)出紅色、綠色或藍(lán)色的熒光蛋白質(zhì)。

 雖然目前基因工程藥物（如GFP）尚未獲得美國(guó)食品藥品管理局（FDA）的批準(zhǔn)，但是FDA已經(jīng)批準(zhǔn)可以在人體臨床試驗(yàn)中使用吲哚青綠（ICG）這種惰性染料。“一旦一個(gè)動(dòng)物體變得發(fā)光，GFP就對(duì)研究一種疾病的發(fā)展情況極其重要；然而您并不希望改變患者的基因，相反，您想要找到已經(jīng)存在的疾病。”Spectros公司首席執(zhí)行官David Benaron（他是與OMI相關(guān)的幾個(gè)初創(chuàng)公司的創(chuàng)始人之一）說，“現(xiàn)在，OMI剛剛開始從實(shí)驗(yàn)室走向臨床，這是很好的發(fā)展機(jī)會(huì)。用于檢測(cè)某種疾病的熒光團(tuán)，可以在人體內(nèi)部聚集并發(fā)出報(bào)告，從而告訴臨床醫(yī)生病人是否患有這種疾病，以及疾病位于哪里。”Benaron補(bǔ)充說。

OMI的特征

“光的穿透深度仍然是將OMI技術(shù)應(yīng)用于人體的主要障礙。在人體中進(jìn)行活體成像研究，目前光在人體組織中的穿透深度尚不能超過5～6cm。”美國(guó)Carestream Health公司全球活體成像產(chǎn)品經(jīng)理Seth Gammon博士說，“但是OMI技術(shù)仍在不斷發(fā)展中�？傊�，OMI技術(shù)是當(dāng)今最快的疾病診斷和治療方法，與其他侵入式或放射性技術(shù)相比，這種方法在研究中使用的老鼠最少。”

 Gammon解釋說，使用導(dǎo)管或內(nèi)窺鏡探頭可以使OMI技術(shù)的診斷與手術(shù)能力適用于人類。例如，能夠報(bào)告組織氧化的熒光探針，能將活體組織與死去的組織區(qū)分開來，從而達(dá)到指導(dǎo)外科手術(shù)的目的。AntiCancer公司展示了含有GFP的腺病毒，其可以標(biāo)記在老鼠體內(nèi)成長(zhǎng)的人類腫瘤，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熒光引導(dǎo)手術(shù)。^[2]

 Carestream Health公司（原柯達(dá)醫(yī)療集團(tuán)）推出了多光譜熒光活體成像系統(tǒng)——Kodak In-Vivo Multispectral Imaging System FX，其能在一個(gè)具有400萬像素分辨率、20cm×20cm的單一視場(chǎng)中，實(shí)現(xiàn)可視化反射成像、多波長(zhǎng)熒光成像、放射性同位素成像和x光成像，同時(shí)還能提供分子和結(jié)構(gòu)信息（見圖2）。通過光譜解調(diào)，該系統(tǒng)能夠從其175W的氙燈光源發(fā)出的390～770nm譜線中，過濾出29種波長(zhǎng)。

圖2：老鼠被注射了兩種不同的近紅外（NIR）染料。從一種染料中發(fā)出的信號(hào)被分配一個(gè)綠色代碼或查找表（LUT），從另外一種染料中發(fā)出的信號(hào)被分配一個(gè)紅色查找表。對(duì)該老鼠進(jìn)行X光成像，用于確定兩種染料的位置，同時(shí)記錄研究過程中的老鼠解剖信息。

目前，所有的OMI系統(tǒng)制造商都在努力減少自發(fā)熒光帶來的影響。“我們的皮膚和組織有許多不同的發(fā)色團(tuán)可以自發(fā)發(fā)出熒光。當(dāng)我們面向細(xì)胞層工作時(shí)，這種背景熒光在體外并不造成影響，但其在體內(nèi)的累積效應(yīng)是顯著的。”Gammon說，“通過分析光譜激發(fā)標(biāo)記的形狀以及從無標(biāo)記動(dòng)物圖像中去除這些標(biāo)記，我們的成像系統(tǒng)降低了自發(fā)熒光帶來的影響。”

3D顯示診斷

VisEn Medical公司能夠提供超過35種獨(dú)特的活體熒光染色劑，其在特殊成像方面也有著更進(jìn)一步的研究。“在生物組織中光子會(huì)發(fā)生自發(fā)散射，在目標(biāo)表面引發(fā)一個(gè)傳統(tǒng)的2D信號(hào)，以致于會(huì)失去真正目標(biāo)發(fā)出的真正的熒光信號(hào)。”VisEn公司市場(chǎng)營(yíng)銷高級(jí)副總裁Rob Sandler說，“FMT平臺(tái)使用激光從一側(cè)的多個(gè)位置透照目標(biāo)，同時(shí)用照相機(jī)在另一側(cè)收集激光和染色劑發(fā)出的熒光信息。然后通過建模計(jì)算光傳輸，獲取足夠的深度信息，進(jìn)而計(jì)算確切位置和3D空間中該目標(biāo)的熒光濃度。在很多要求能夠清晰監(jiān)控的深度解剖研究中，比如原位腫瘤轉(zhuǎn)移，這種能力尤為重要（見圖3）。呼吸系統(tǒng)疾病，如慢性阻塞性肺病（COPD），也體現(xiàn)在深解剖目標(biāo)上。FTM可以很容易地可視化和量化活體組織中的呼吸體標(biāo)記物。”

圖3：IntegriSense和ProSense這兩種熒光染色劑定量地顯示在活體3D圖中。使用FMT 2500 LX定量成像系統(tǒng)，顯示出老鼠體內(nèi)的腫瘤已轉(zhuǎn)移到肺部。

 美國(guó)Caliper Life Science公司的成像市場(chǎng)營(yíng)銷總監(jiān)Stephen Oldfield 已經(jīng)看到了OMI技術(shù)為疾病診治和藥物研發(fā)帶來的好處。“Caliper Life Science公司在前臨床OMI市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)份額，并將繼續(xù)發(fā)展在諸如3D成像和定量方面的技術(shù)。” Stephen Oldfield說，“截至到2010年3月中旬，在行業(yè)出版物中，涉及Caliper Life Science公司IVIS系統(tǒng)的文章已經(jīng)達(dá)到1433篇。”IVIS系統(tǒng)使用熒光蛋白或生物發(fā)光材料來揭示生物學(xué)過程，比如基因表達(dá)、腫瘤生長(zhǎng)、感染傳播或循環(huán)功能，甚至敏感到足以對(duì)放射性示蹤劑（特別是那些用于臨床分子成像中的放射性示蹤劑）發(fā)出的光成像。^[3]

IVIS Spectrum系統(tǒng)使用激光生成老鼠的一個(gè)3D表面圖，并使用一個(gè)經(jīng)過過濾的白光源，用于激發(fā)熒光因而可以提供廣泛的波長(zhǎng)選擇。使用透射照明，熒光蛋白（如tdTomato）可以很容易地在前列腺等深部組織成像。使用光譜解調(diào)，用長(zhǎng)波長(zhǎng)染料如CF750標(biāo)記的抗體（如trastuzumab）可以在細(xì)胞表面成像和量化�；�因表達(dá)可以很容易地用生物熒光材料監(jiān)控，因而在轉(zhuǎn)基因動(dòng)物中，可以同時(shí)監(jiān)測(cè)新血管和腫瘤的發(fā)展情況。IVIS Lumina XR可以通過熒光探針研究類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎，并利用X光圖像進(jìn)行定位。

 使用IVIS層析成像技術(shù)，可以對(duì)熒光和生物發(fā)光信號(hào)進(jìn)行3D成像，其3D圖可以與其他圖形特征相關(guān)聯(lián)。所有的IVIS系統(tǒng)均使用零下90°C冷卻CCD成像，以及可選的光學(xué)濾波器用于光譜解調(diào)。冷卻的CCD降低了暗電流噪聲，能實(shí)現(xiàn)最高的信噪比，這使得IVIS可以檢測(cè)到老鼠皮膚下的單一細(xì)胞。

在熒光成像方面有著20年經(jīng)驗(yàn)的美國(guó)CRi公司，將多光譜動(dòng)態(tài)成像引入了OMI領(lǐng)域。CRi公司的Maestro多光譜系統(tǒng)可以很輕松地從熒光信號(hào)中消除皮膚組織的自發(fā)熒光，并且集成了一個(gè)液晶可調(diào)諧濾波器，該濾波器相當(dāng)于200個(gè)帶通光濾波器，能夠區(qū)分動(dòng)物體中不同的熒光劑發(fā)出的信號(hào)。CRi公司的動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)（DyCE）技術(shù)，結(jié)合了快速成像（高達(dá)15幀/秒的單色圖或10幀/秒的多光譜圖）與先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法，可以測(cè)定圖像中每個(gè)像素中熒光團(tuán)的強(qiáng)度變化率。利用這些數(shù)據(jù)，可以在更短的時(shí)間內(nèi)（數(shù)分鐘或數(shù)小時(shí)）獲得具有更高對(duì)比度的累積熒光團(tuán)圖像（見圖4）。

圖4：對(duì)老鼠尾巴靜脈注射ICG后，通過分析隨時(shí)間變化的單色圖（每秒10幀，持續(xù)2分鐘）獲得了動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)（DyCE）圖像。這些圖片僅使用了一種染色劑，不同的顏色代表ICG通過老鼠的各個(gè)器官和身體不同部位的時(shí)間。

 小結(jié)

LI-COR生物科技公司也利用OMI技術(shù)診斷疾病。LI-COR公司的Pearl Impulse Imager成像儀，已經(jīng)使用基于其近紅外染料IRDye 800CW的不同的熒光劑，用于診斷腫瘤組織、疾病轉(zhuǎn)移、脈管系統(tǒng)、淋巴結(jié)構(gòu)以及新陳代謝活動(dòng)。^[4][5] “LI-COR公司對(duì)近紅外技術(shù)的研究可能要早于很多公司，最早能追溯到1971年。”LI-COR公司生物科技副總裁Michael Olive說道。最近OMI技術(shù)開始獲得發(fā)展，主要源于以下點(diǎn)：（1）近紅外熒光劑和其他熒光劑的供應(yīng)；（2）可利用的、具有波長(zhǎng)選擇性的低成本寬帶激光源與探測(cè)器的發(fā)展；（3）器件尺寸的減小使儀器更加便攜。Olive 表示：“LI-COR公司的Pearl Impulse Imager成像儀使用起來非常簡(jiǎn)單，幾乎是開箱即用。所有這些有利因素結(jié)合在一起，終將匯成一股‘完美風(fēng)暴’，使2010年成為光學(xué)分子成像蓬勃發(fā)展的一年。”

參考文獻(xiàn)：

1.         T. Chishima et al., Cancer Research 57, pp. 2042–2047 (May 15, 1997).

2.         H. Kishimoto et al., Proc. Nat'l. Acad. Sciences (PNAS) 106, 34, pp.14514–14517 (Aug. 25, 2009).

3.         H. Liu et al., "Molecular Optical Imaging with Radioactive Probes," Online access journal from the Public Library of Science, PLoS ONE 5, 3, e9470 (Mar. 1, 2010).

4.         J. Kovar et al., American J. Pathol. 169, pp. 1415–1426 (2006).

5.         J. Kovar et al., Analytical Biochem. 384, pp. 254–262 (2009).