網絡研討會回顧：臨床前光學成像技術進展

本月，TriFoil Imaging技術團隊的應用科學家們通過網絡會議平臺，組織完成了一次關于臨床前光學成像領域重大技術進展的網絡研討會議，會議同時邀請了美國北卡羅來納大學（UNC）、杜克大學、明尼蘇達大學（UMN）以及美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）神經科學領域的多位教授共同參與。
我們在此對本次會議內容進行一次比較系統(tǒng)的回顧與總結，希望能夠為利用動物模型進行臨床前疾病研究的科研工作們提供行業(yè)前沿技術以及實驗方法學上的參考。

主講人員介紹：

主持人：Aaron McCormack

主講人：Austin Moy, PhD（應用研究主任）

Wesley Moy, PhD（技術研發(fā)主管）

會議主題：臨床前光學成像領域的技術進展分享

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當前光學成像領域所遭遇的難題：

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聚焦光學成像技術：

傳統(tǒng)光學成像技術的優(yōu)勢與局限

優(yōu)勢：

• 高靈敏度——可以與PET媲美

• 侵入性小——與PET/SPECT相比，無電離輻射

• 有大量的報告基因可供選擇——生物發(fā)光成像技術占主導

• 平面型的篩選模式，對于樣本具有高通量能力

總結：選擇適當?shù)墓鈱W成像方法，可以以更加經濟、快速和高效的方式來解答一些二維平面角度上的基本問題，如定性分析、粗略的位置確定。

局限：

• 成像為平面圖像，無深度信息

• 可見光波長范圍內的成像，由于組織對光的吸收和散射，將會影響到信號的穿透能力，導致設備無法捕捉到信號。

• 生物發(fā)光成像雖然具有很低的背景噪聲，但是信號強度也低。

• 由酶介導的反應過程，信號強度會隨時間而降低。

總結：傳統(tǒng)光學成像無法提供深度信息，由于信號易被組織吸收，容易造成設備對其缺乏敏感性的情況。

舉例：傳統(tǒng)的光學成像方式限制了所能夠采集到的數(shù)據范圍

• 為了提高掃描速度，犧牲了信號采集的角度（有限角度的成像）；

• 采用固定式相機，必須移動實驗對象或使用鏡面反射以獲取更多角度的信息；

• 通常使用寬波段的激發(fā)光源，通過濾光片分離得到特定波長的光，激發(fā)光的能量在分光過程中受到損耗。

如何解決傳統(tǒng)光學成像方法的局限而使其更好的發(fā)揮作用？

——需要從熒光與信號采集方式上著手！
需要使用近紅外（NIR）波段的熒光用于激發(fā)與采集

提供更高的背景對比度以及更高的信號

信號由特定波長的光源激發(fā)，強度不受時間

需要對信號采集技術（設備）進行創(chuàng)新性

在360°范圍內進行斷層

獲取熒光信號的深度信息
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由不同波長的光在組織中的吸收率圖譜可知，近紅外波段的熒光具有最佳的光-組織相互作用特性：

• 生物組織是一類高度擴散型的介質，對光的主要作用為吸收和散射；

• 近紅外（NIR）熒光探針具有深層組織的穿透能力，同時可減少自發(fā)熒光的產生；

• 使用近紅外探針進行活體光學成像，分辨率可達到厘米級別。

一種新型的可用于3D光學成像的數(shù)據采集方法介紹：

• 使用激光光源對樣品進行激發(fā)，以獲取最大能量值的熒光信號；

• 專利旋轉式龍門架設計，可進行360°范圍內的數(shù)據采集；

• 沿動物軸向進行斷層切片式掃描以獲取大量數(shù)據信號點；

• 計算機斷層掃描重建技術可呈現(xiàn)完整的3D圖像以及平面視圖。

3D斷層掃描重建技術：

• 根據光傳播的3D有限差分特征建立模型

  不同組織的光學特性用于解釋不同部位的散射差異；

  對于輸入的光學參數(shù)，利用CT數(shù)據增強系統(tǒng)的重建準確性；

• 使用表面輪廓掃描獲取實驗對象的3D幾何數(shù)據；

• 以DICOM格式對輸出數(shù)據進行可視化展示。

2D vs. 3D光學成像效果對比：

• 2D平面光學成像：僅在2D平面圖像上進行信號的定位，沒有深度信息，動物通常需要被處死。

• 3D斷層掃描光學成像：提供3D可視化的圖像，3D空間范圍內進行定位，可從各個角度查看數(shù)據，可提供深度信息，是真正的小動物活體成像。

從二維到三維的成像方式比較：

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FLECT/CT光學多模態(tài)成像系統(tǒng)介紹：

• 配備近紅外(NIR) 4束激光(642 nm、705 nm、730 nm、780 nm)及相應的發(fā)射濾光片，可以獲得動物深層組織的熒光信號，解決了傳統(tǒng)設備熒光探測深度不夠、二維光斑不能精確定量和重建等問題；

• 一體化同軸X 射線CT 模塊，配備有不同的濾光片（al1mm、al2mm、Mo、Sn和Pd)用于降低光束硬化和降噪，除了為FLECT提供解剖學參考，還可實現(xiàn)高質量的軟組織成像。

FLECT/CT系統(tǒng)成像效果展示：

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FLECT/CT技術應用案例：

納米藥物研發(fā)：

• 構建藥物-染料結合物（DDC）：

• 前體藥物-連接器-熒光染料（NIR，ICG類）

  連接器可被谷胱甘肽裂解

• 追蹤DDC在體內的分布

• 利用類ICG染料的光敏特性來增強DDC的組織穿透能力

• 使用乳腺癌模型（MDA-MB-231）驗證新型納米藥物的靶標性與治療效果

治療診斷學：

• 使用膠質母細胞瘤完成相關驗證

• 診斷治療結合物包括：

  化療藥物/MRI造影劑

  藥物遞送劑（白蛋白）

  熒光染料（Cy7）

• 采用尾靜脈注射方式進行給藥

腦部炎癥成像：

• 脂多糖（LPS）誘導建立腦部炎癥臨床前模型：側腦室注射1μg LPS

• 熒光染料ProSense750用于腦部炎癥顯像：側腦室注射5μL ProSense750（0.4 nmol）

• FLECT和CT掃描結果可以根據閾值對腦室炎癥區(qū)域進行分割和定量分析

心臟疾病研究：

• 利用氯化鐵誘發(fā)頸動脈血栓模型；

• 以活化血小板作為靶點，單鏈抗體scFv可以靶向活化血小板中的GPIIb/IIIa受體探針：Cy7 標記的抗活化血小板抗體scFvTarg用于動脈血栓的近紅外熒光顯像（注射量：1μg/ g；體內循環(huán)45分鐘后成像）

原位腫瘤及轉移性腫瘤的顯像：

左：

• 模型：肺癌（A549 luc細胞）

• 探針：RGD-Cy5.5（200µL，2nmol，靜脈注射）

• RGD肽：靶向整聯(lián)蛋白（細胞凋亡）

• 成像：注射后24小時

• 激光：642nm，濾光片：695nm

右：

• 大腸癌轉移模型

• 對原發(fā)腫瘤部位進行可視化觀察

• 與BLI成像結果互為參照，共同確認多個腫瘤灶

完整角度的3D iRFP成像：

• iRFP = 紅外熒光蛋白（類似于Luc或GFP/RFP等報告基因產生的蛋白，但是具有近紅外熒光功能）

• 可將iRFP基因轉染到細胞系中

• 優(yōu)點：

  深層組織成像的理想選擇（NIR生物窗）

  熒光僅定位于細胞聚集區(qū)域

  減少背景熒光的干擾

  熒光染料標記細胞在小鼠體內的活體成像：

• 實驗單位：加州大學爾灣分校

• 使用載有ICG的樹突狀細胞

• 5次清洗程序以分離細胞并去除游離的ICG

• 將總數(shù)250個細胞裝入注射器并經皮下注射到動物的左側腹

• 重建數(shù)據可證明該設備的敏感性

• 此實驗已被多次重復，可以實現(xiàn)動物組織的深部成像

在病毒學研究中的應用：

• 建立攜帶報告基因的病毒轉染體系

• 使用生物發(fā)光進行活體成像，提供傳統(tǒng)二維光學成像的篩選通量（但對于器官的成像是在離體條件下進行的）

• 此種情況下，3D活體光學成像技術可以有明確的應用范圍，即利用二維光學成像進行初步大范圍的篩選（定性），再結合3D活體光學成像進行器官等深部組織的細致觀察（定位、定量與分析）

 

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合作案例：

左：加利福尼亞大學 爾灣分校      

右：約翰·霍普金斯大學
互動環(huán)節(jié)答案揭曉：
以上就是對本次臨床前光學成像技術網絡研討會內容的回顧，如果您對其中的某些部分感興趣而想要詳細了解，歡迎您通過下面的方式與我們聯(lián)系：

美國TriFoil Imaging 負責人聯(lián)系方式：
Austin Moy, PhD
Email: austin.moy@trifoilimaging.com
Skype: austin.moy@live.com
中國InSyTe FLECT/CT服務方人員聯(lián)系方式:
孫元元（技術部）
Tel：13810818543
柴丹（銷售部）
Tel：13810910943
田建華（應用工程師）
Tel：18302907782
張婷瑞（應用工程師）
Tel：13910490151
聯(lián)系郵箱：sales@bio-one.cn
您還可以通過訪問以下網站了解關于InSyTe FLECT/CT三維多模態(tài)光學-CT成像設備的詳細內容：

https://www.trifoilimaging.com

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