网络研讨会回顾：临床前光学成像技术进展

本月，TriFoil Imaging技术团队的应用科学家们通过网络会议平台，组织完成了一次关于临床前光学成像领域重大技术进展的网络研讨会议，会议同时邀请了美国北卡罗来纳大学（UNC）、杜克大学、明尼苏达大学（UMN）以及美国国立卫生研究院（NIH）神经科学领域的多位教授共同参与。
我们在此对本次会议内容进行一次比较系统的回顾与总结，希望能够为利用动物模型进行临床前疾病研究的科研工作们提供行业前沿技术以及实验方法学上的参考。

主讲人员介绍：

主持人：Aaron McCormack

主讲人：Austin Moy, PhD（应用研究主任）

Wesley Moy, PhD（技术研发主管）

会议主题：临床前光学成像领域的技术进展分享

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当前光学成像领域所遭遇的难题：

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聚焦光学成像技术：

传统光学成像技术的优势与局限

优势：

• 高灵敏度——可以与PET媲美

• 侵入性小——与PET/SPECT相比，无电离辐射

• 有大量的报告基因可供选择——生物发光成像技术占主导

• 平面型的筛选模式，对于样本具有高通量能力

总结：选择适当的光学成像方法，可以以更加经济、快速和高效的方式来解答一些二维平面角度上的基本问题，如定性分析、粗略的位置确定。

局限：

• 成像为平面图像，无深度信息

• 可见光波长范围内的成像，由于组织对光的吸收和散射，将会影响到信号的穿透能力，导致设备无法捕捉到信号。

• 生物发光成像虽然具有很低的背景噪声，但是信号强度也低。

• 由酶介导的反应过程，信号强度会随时间而降低。

总结：传统光学成像无法提供深度信息，由于信号易被组织吸收，容易造成设备对其缺乏敏感性的情况。

举例：传统的光学成像方式限制了所能够采集到的数据范围

• 为了提高扫描速度，牺牲了信号采集的角度（有限角度的成像）；

• 采用固定式相机，必须移动实验对象或使用镜面反射以获取更多角度的信息；

• 通常使用宽波段的激发光源，通过滤光片分离得到特定波长的光，激发光的能量在分光过程中受到损耗。

如何解决传统光学成像方法的局限而使其更好的发挥作用？

——需要从荧光与信号采集方式上着手！
需要使用近红外（NIR）波段的荧光用于激发与采集

提供更高的背景对比度以及更高的信号

信号由特定波长的光源激发，强度不受时间

需要对信号采集技术（设备）进行创新性

在360°范围内进行断层

获取荧光信号的深度信息
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由不同波长的光在组织中的吸收率图谱可知，近红外波段的荧光具有最佳的光-组织相互作用特性：

• 生物组织是一类高度扩散型的介质，对光的主要作用为吸收和散射；

• 近红外（NIR）荧光探针具有深层组织的穿透能力，同时可减少自发荧光的产生；

• 使用近红外探针进行活体光学成像，分辨率可达到厘米级别。

一种新型的可用于3D光学成像的数据采集方法介绍：

• 使用激光光源对样品进行激发，以获取最大能量值的荧光信号；

• 专利旋转式龙门架设计，可进行360°范围内的数据采集；

• 沿动物轴向进行断层切片式扫描以获取大量数据信号点；

• 计算机断层扫描重建技术可呈现完整的3D图像以及平面视图。

3D断层扫描重建技术：

• 根据光传播的3D有限差分特征建立模型

  不同组织的光学特性用于解释不同部位的散射差异；

  对于输入的光学参数，利用CT数据增强系统的重建准确性；

• 使用表面轮廓扫描获取实验对象的3D几何数据；

• 以DICOM格式对输出数据进行可视化展示。

2D vs. 3D光学成像效果对比：

• 2D平面光学成像：仅在2D平面图像上进行信号的定位，没有深度信息，动物通常需要被处死。

• 3D断层扫描光学成像：提供3D可视化的图像，3D空间范围内进行定位，可从各个角度查看数据，可提供深度信息，是真正的小动物活体成像。

从二维到三维的成像方式比较：

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FLECT/CT光学多模态成像系统介绍：

• 配备近红外(NIR) 4束激光(642 nm、705 nm、730 nm、780 nm)及相应的发射滤光片，可以获得动物深层组织的荧光信号，解决了传统设备荧光探测深度不够、二维光斑不能精确定量和重建等问题；

• 一体化同轴X 射线CT 模块，配备有不同的滤光片（al1mm、al2mm、Mo、Sn和Pd)用于降低光束硬化和降噪，除了为FLECT提供解剖学参考，还可实现高质量的软组织成像。

FLECT/CT系统成像效果展示：

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FLECT/CT技术应用案例：

纳米药物研发：

• 构建药物-染料结合物（DDC）：

• 前体药物-连接器-荧光染料（NIR，ICG类）

  连接器可被谷胱甘肽裂解

• 追踪DDC在体内的分布

• 利用类ICG染料的光敏特性来增强DDC的组织穿透能力

• 使用乳腺癌模型（MDA-MB-231）验证新型纳米药物的靶标性与治疗效果

治疗诊断学：

• 使用胶质母细胞瘤完成相关验证

• 诊断治疗结合物包括：

  化疗药物/MRI造影剂

  药物递送剂（白蛋白）

  荧光染料（Cy7）

• 采用尾静脉注射方式进行给药

脑部炎症成像：

• 脂多糖（LPS）诱导建立脑部炎症临床前模型：侧脑室注射1μg LPS

• 荧光染料ProSense750用于脑部炎症显像：侧脑室注射5μL ProSense750（0.4 nmol）

• FLECT和CT扫描结果可以根据阈值对脑室炎症区域进行分割和定量分析

心脏疾病研究：

• 利用氯化铁诱发颈动脉血栓模型；

• 以活化血小板作为靶点，单链抗体scFv可以靶向活化血小板中的GPIIb/IIIa受体探针：Cy7 标记的抗活化血小板抗体scFvTarg用于动脉血栓的近红外荧光显像（注射量：1μg/ g；体内循环45分钟后成像）

原位肿瘤及转移性肿瘤的显像：

左：

• 模型：肺癌（A549 luc细胞）

• 探针：RGD-Cy5.5（200µL，2nmol，静脉注射）

• RGD肽：靶向整联蛋白（细胞凋亡）

• 成像：注射后24小时

• 激光：642nm，滤光片：695nm

右：

• 大肠癌转移模型

• 对原发肿瘤部位进行可视化观察

• 与BLI成像结果互为参照，共同确认多个肿瘤灶

完整角度的3D iRFP成像：

• iRFP = 红外荧光蛋白（类似于Luc或GFP/RFP等报告基因产生的蛋白，但是具有近红外荧光功能）

• 可将iRFP基因转染到细胞系中

• 优点：

  深层组织成像的理想选择（NIR生物窗）

  荧光仅定位于细胞聚集区域

  减少背景荧光的干扰

  荧光染料标记细胞在小鼠体内的活体成像：

• 实验单位：加州大学尔湾分校

• 使用载有ICG的树突状细胞

• 5次清洗程序以分离细胞并去除游离的ICG

• 将总数250个细胞装入注射器并经皮下注射到动物的左侧腹

• 重建数据可证明该设备的敏感性

• 此实验已被多次重复，可以实现动物组织的深部成像

在病毒学研究中的应用：

• 建立携带报告基因的病毒转染体系

• 使用生物发光进行活体成像，提供传统二维光学成像的筛选通量（但对于器官的成像是在离体条件下进行的）

• 此种情况下，3D活体光学成像技术可以有明确的应用范围，即利用二维光学成像进行初步大范围的筛选（定性），再结合3D活体光学成像进行器官等深部组织的细致观察（定位、定量与分析）

 

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合作案例：

左：加利福尼亚大学 尔湾分校      

右：约翰·霍普金斯大学
互动环节答案揭晓：
以上就是对本次临床前光学成像技术网络研讨会内容的回顾，如果您对其中的某些部分感兴趣而想要详细了解，欢迎您通过下面的方式与我们联系：

美国TriFoil Imaging 负责人联系方式：
Austin Moy, PhD
Email: austin.moy@trifoilimaging.com
Skype: austin.moy@live.com
中国InSyTe FLECT/CT服务方人员联系方式:
孙元元（技术部）
Tel：13810818543
柴丹（销售部）
Tel：13810910943
田建华（应用工程师）
Tel：18302907782
张婷瑞（应用工程师）
Tel：13910490151
联系邮箱：sales@bio-one.cn
您还可以通过访问以下网站了解关于InSyTe FLECT/CT三维多模态光学-CT成像设备的详细内容：

https://www.trifoilimaging.com

http://www.bio-one.cn/cn/product/ygdccx/ygdccx.htm