摘
要：隨著生物分子光學標記技術的不斷進步，光學技術在揭示生命活動基本規律的研究中正發揮越來越重要的作用，也為醫學診斷與治療提供了更多、更有效的手段。本報告首先簡要介紹光學技術在生物醫學應用中的發展概況，然后從基因表達及蛋白質—蛋白質相互作用研究方面，討論生物分子光學技術的特點與優勢，闡明基于分子光學標記的光學成像技術是重要的實時在體監測手段，最后討論光學成像技術在組織功能/腦功能成像中的應用原理與現狀。
關鍵詞：光學技術、生物醫學、醫學診斷與治療、分子光子學、醫學成像
一、生物醫學光學發展概況
生物醫學光學（Biomedical
Optics）是近年來受到國際光學界和生物醫學界廣泛關注的研究熱點，在生物活檢（使用光學相干弱層析成像技術——OCT）、光動力治療（PDT）、細胞結構與功能檢測（運用激光共焦掃描顯微鏡）、基因表達規律的在體觀測（運用熒光基因標記技術）等問題上取得了可喜研究成果，目前正在從宏觀到微觀多層面上對大腦活動與功能進行研究。Science在最近幾年已發表相關論文近20篇。隨著光學技術的發展，生物醫學光學將在多層次上對研究生物體特別是人體的結構、功能和其他生命現象產生重要影響。
二、生物分子光學技術
細胞重大生命活動的發生和調節是通過生物大分子間（蛋白質—蛋白質、蛋白質—核酸等）相互作用來實現的。深入研究基因表達及蛋白質—蛋白質相互作用不僅能揭示生命活動的基本規律，同時也能深入了解疾病發生的分子機制，進而為尋找更有效的藥物分子、提高藥物篩選和藥物設計的效率提供新的思路。
（一）現代分子生物學在研究基因表達和蛋白質—蛋白質相互作用中的局限性
現代分子生物學技術的迅速發展，特別是隨著后基因組時代的到來，人們已經能夠根據需要建立各種細胞和動物模型，為在體研究基因表達規律、分子間的相互作用、腫瘤細胞的增殖、細胞信號轉導、誘導分化、細胞凋亡以及新的血管生成等提供了良好的生物學條件。
然而，盡管人們利用現有的分子生物學方法，已經對基因表達和蛋白質—蛋白質相互作用進行了深入、細致的研究，但仍然不能實現對蛋白質和基因活動的實時、動態監測。在細胞的生理過程中，基因、尤其是蛋白質的表達、修飾和相互作用往往發生可逆的、動態的變化。目前的分子生物學方法還不能捕獲到蛋白質和基因的這些瞬時、動態、可逆的變化，但獲取這些信息對與研究基因的表達和蛋白質—蛋白質的相互作用又至關重要。因此，發展能用于活體、動態、實時、連續監測蛋白質和基因活動的方法非常必要。
光學成像技術與分子生物學技術的結合為研究上述科學問題提供了現實與可能。因此，在現代分子生物學技術基礎上，急需發展新的成像技術。在活體動物體內，如何實現基因表達及蛋白質—蛋白質相互作用的實時在體成像監測是當前迫切需要解決的重大核心科學技術問題！這是也生物學、信息科學（光學）和基礎臨床醫學等學科共同感興趣的重大基礎問題。對這一科學問題的研究不僅有助于闡明生命活動的基本規律、認識疾病的發生發展規律，而且對創新藥物研究、藥物療效評價以及發展疾病早期診斷技術（光子醫學診斷技術）等產生重大影響。
（二）基于分子光學標記的光學成像技術是重要的實時在體監測手段
光學成像技術正成為實時在體研究分子間/分子內蛋白質—蛋白質相互作用、離子通道、細胞膜蛋白及相關信號轉導、生化底物及酶轉運等的重要手段，由于具有高時間、空間分辨率，比現有其他手段更為直接，因而可望成為后基因組時代新藥靶發現和高通量藥物篩選的新方法。
表1和表2分別給出了目前處于研究和應用階段的幾種主要成像技術的應用場合及參數比較。比較相關參數可以看出，基于分子光學標記的光學成像技術已經在活體動物體內基因表達規律方面展示了有較大的優勢。
例如，正電子發射斷層成像（PET）可實現對分子代謝的成像，空間分辨率：1-2mm，時間分辨率：分鐘量級。與PET比較，光學成像的應用場合更廣（可測量更多的參數，請參見表1），且具有更高的時間分辨率（秒級），空間分辨率可達到微米。因此，二者比較，雖然光學成像在測量深度方面不及PET，但在測量參數種類與時空分辨方面有一定優勢。對于小動物（如大鼠）研究來說，光學成像技術可以實現小動物整體成像和在體基因表達成像，例如，初步研究表明，熒光介導層析成像可達到近10cm的測量深度（Nature
Reviews 2002）；基于多光子激發的顯微成像技術可望實現小鼠體內基因表達的實時在體成像（Nature Medicine 2001）。