五種小動物活體成像專用設備特點、應用及優缺點比較二

可見光成像的主要缺點是二維？平面成像及不能絕對定量，新一代熒光分子斷層成像（fluorescence molecular tomography, FMT）采用特定波長的激發光激發熒光分子產生熒光，通過圖像重建提供目標的深度信息和對目標物進行立體成像，并且可以定量及多通道成像，能夠在毫米量級的組織中檢測與某種生理功能相關的熒光探針的濃度分布，在疾病特別是癌癥的早期診斷、基因表達圖譜、蛋白質功能研究、受體定位、細胞通路解釋和檢測小分子蛋白之間的相互作用等生物技術方面，有著重要的作用^[10]。

幾種基于熒光顯微鏡技術的方法適用于體外細胞也適合體內細胞的觀察，如多光子顯微技術、激光顯微共聚焦技術和纖維光學方法等。因為共聚焦顯微術使用方便、耗費少，所以應用最廣泛，但如果觀察時間過長且組織光穿過率低，光毒性導致的細胞死亡是其應用的局限性之一^[1]。多光子顯微技術能達到800 μm以上深度的空間分辨率，通過多通道檢測不同標記的熒光物體，以及信號融合可得到三維圖像信息，也可提供幾個小時的高空間分辨率的成像^[11]；雖然活體多光子顯微成像系統提供的是相對定量的熒光信號，但它可以使用血管內定量參數及細胞遷移間隙定量。

可見光成像優勢是使用低能量、無輻射、對信號檢測靈敏度高、實時監測標記的活體生物體內的細胞活動和基因行為^[12]，被廣泛應用到監控轉基因的表達、基因治療、感染的進展、腫瘤的生長和轉移、器官？移植、毒理學、病毒感染和藥學研究中。目前光學成像大多還處在以小動物為對象的基礎研究階段，但隨著可見光成像技術的成熟和完善，針對臨床研究前期的相關工作將陸續開展。

2. 核素成像

正電子發射斷層成像技術(positron emission tomography，PET)和單光子發射計算機斷層成像術(Single-Photon Emission Computed Tomography，SPECT)是核醫學的兩種顯像技術。
臨床PET、SPECT顯像效果欠佳，分辨率較低（臨床PET分辨率為4~8 mm），無法滿足小動物顯像研究的要求^[13]。小動物PET、SPECT專為小動物實驗而設計，探測區域小，空間分辨率很高，可達1.0mm^[13]，有些？動物PET使用活動的掃描架不只適合小動物也適合中等大小的動物^[14]。PET與SPECT相同之處是都利用放射性核素的示蹤原理進行顯像，皆屬于功能顯像。除了一般的分子成像技術都具有的無創傷、同一批動物持續觀察的優點外，小動物PET/SPECT與其他分子顯像方法相比還具有以下顯著優勢：①具有標記的廣泛性，有關生命活動的小分子、小分子藥物、基因、配體、抗體等都可以被標記；②絕對定量；③對于淺部組織和深部組織都具有很高的靈敏度，能夠測定感興趣組織中p-摩爾，甚至f-摩爾數量級的配體濃度，對于大鼠的檢測很方便；④可獲得斷層及三維信息，實現較精確的定位；⑤小動物PET/SPECT可以動態地獲得秒數量級的動力學資料，能夠對生理和藥理過程進行快速顯像；⑥可推廣到人體^[15]。

2.1 小動物PET：進行小動物PET顯像，首先是利用醫用回旋加速器發生的核反應，生產正電子放射性核素，通過有機合成、無機反應或生化合成制備各種小動物PET正電子顯像劑或示蹤物質。顯像劑引入體內定位于靶器官，利用PET顯像儀采集信息顯示不同斷面圖并給出定量生理參數。小動物PET的優勢在于特異性、敏感性和能定量示蹤標記物，且PET使用的放射性核素多為動物生理活動需要的元素，因此不影響它的生物學功能，放射性標記物進入動物體內后，由于其本身的特點，能夠聚集在特定的組織器官或參與組織細胞的代謝；半衰期超短，一般在十幾分鐘到幾小時，適合于快速動態研究，如11C、15O、3N ，半衰期在20min以內^[16]；同時湮沒輻射產生的兩個能量相等的γ光子互成180°，提供了很好的空間定位，所以正電子成像儀一般不需要機械準直器，采用電子準直，從而大大提高了探測靈敏度，改善了空間分辨率。

盡管小動物PET已取得了巨大發展，然而卻面臨以下挑戰，空間分辨率和系統絕對靈敏度是影響PET圖像質量的重要指標，但分辨率和靈敏度卻是一對矛盾體，分辨率雖已達到1mm，但卻降低了靈敏度；同時小動物PET在很大程度上缺少解剖結構信息和使用放射性核素，要求回旋加速器靠近成像設備^[14]。

基于小動物PET巨大的應用潛能與前景，其必將成為藥物的尋找和開發、以動物模型模擬人類疾病揭示疾病的生化過程、研究活體動物基因表達顯像以及其他生物醫學領域的重要方法^[17]。

2.2 小動物SPECT：相對于小PET系統，小SPECT系統使用長半衰期的放射性同位素，不需要回旋加速器。常使用的放射性核素不是生理性元素，如：99mTc、111In、123I和67Ga等，這些放射性核素的半衰期從6h到3天，通常較PET使用的放射性核素半衰期長。單光子SPECT的靈敏度、分辨率及圖像質量較PET差；而多光子SPECT系統空間分辨率能達到200μm，應用此模式圖像可以由多個疊加數據重構，掃描時間也降低到幾分鐘，每個動物的輻射劑量也降低了^[14,18]。隨著技術的發展特別是新探測器如CZT (cadmium zinc telluride)將提高小SPECT敏感度到小PET水平。隨著放射線示蹤劑種類增加及不依賴回旋加速器，小SPECT有很大的應用前景，可用于監視生理功能、示蹤代謝過程和定量受體密度等^[18]。

作為生物醫學研究的重要技術平臺，核素成像技術用于發現易于為核素標記的既定靶目標底物的存在，或用于追蹤小量標記基因藥物和進行許多藥物抵抗或病毒載體的傳送。

3.小動物CT

CT是利用組織密度的不同造成對X射線透過率不同，對機體一定厚度的層面進行掃描，并利用計算機重建三維圖像的影像技術。小動物CT（微型CT）作為一種最新的CT成像技術，具有微米量級的空間分辨率（>9μm）并可以提供三維圖像^[19]。大多數系統使用圓錐形的X射線輻射源和固體探測器。探測器可以圍繞動物旋轉，允許一次掃描動物整體成像；CT的視野探測器是決定CT分辨率水平的關鍵部件，小動物CT能達到不同的分辨率，從15~90μm，其應用范圍很廣；專門用于體內研究的儀器的最佳分辨率是50~100μm，雖然分辨率低但可降低輻射劑量，增快研究進展，使長期縱向研究得以順利進行^[20]。在分辨率為100μm時，對整個小鼠進行一次掃描大約需15分鐘，更高分辨率的掃描需要更長時間的掃描^[16]。

小CT系統在小動物骨和肺部組織檢查等方面具有獨特的優勢。對于骨的研究，分辨率限制在15μm，如果在小梁水平上分析，負荷也被考慮在內；小CT也常應用在呼吸系統疾病（如哮喘、慢性阻塞性肺疾病）的檢測，為避免呼吸和其他人為因素造成的動物固定器移動，現在多用附加組件來控制呼吸和使人為因素最小化；特異對比因子的使用可以進一步促進軟組織的研究如心血管發生、腫瘤生長等。高分辨率小CT系統在研究軟組織腫瘤和轉基因動物的特征性結構上取得了較好的效果^[14]。

第一代小CT的主要缺點是即使使用特異對比因子、高輻射劑量和長時間的掃描，對軟組織的相對分辨率仍很低。第二代小CT系統組合了很多在臨床上使用的技術，配置了小探測器組件和更強大的X線管，可實現更快地掃描整個動物（0.8s），并可使用臨床對比劑（造影劑）而且使灌注研究成為可能。此外，使用碘酸鹽造影劑顯著地改善了圖像的對比度，能夠看清更小直徑的血管（20μm）。這項技術主要的不足是還必須暴露在電離輻射下，特別是持續反復的研究，電離輻射可能改變腫瘤學等方面的研究^[14]。

為了使CT具有分子成像能力，特異CT探針被設計出，探針在CT掃描時同時使用^[21]。遺憾的是，對比劑的使用導致射線的危害。因為敏感度和空間分辨率也依賴于CT暴露的時間和對比劑使用的數量。