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1、FMT小动物活体荧光断层成像技术的特点及优势FMT小动物活体荧光断层成像技术的特点及优势小动物活体光学成像技术已出现近10年时间，并已被应用于生物及医学研究的诸多领域。然而，随着各项研究的深入，传统的小动物活体成像系统已在诸多方面无法满足研究的需求，主要表现于：1、无法实现深层信号的观测；2、无法进行绝对精确定量；3、无法获取真实的3D重建信息；4、无法与其它分子成像系统（如CT、PET、MRI等）进行联合使用；5、无法应用于临床研究。Perkinelmer公司全新推出的FMT（FluorescenceMolecularTomography）小动物活体荧光断层成像技术是小动物活体成像领域的新一
2、代技术，该技术由哈佛大学医学院分子影像中心历经10年时间而研发成熟，是对现有活体光学成像技术的革新与完善，与现有技术相比，FMT成像技术的主要特点及优势如下：1.真正的绝对精确定量真正的绝对精确定量现有活体光学成像系统的技术瓶颈之一是定量问题，目前所有成像系统的定量方法都是基于对小动物体表发光强度的测定，以体表发光强度来量化研究对象（如左下图），然而，分子影像学中对于定量的详细定义为“Molecularimagingquantificationisthedeterminationofregionalconcentrationsofmolecularimagingagentsandbiologi
3、calparameters.”(MICoEandSNMBoards,TheJournalofNuclearMedicine.Vol.48,No.6,June2007)，因此给出标记探针在体内的浓度、体积等具体参数才是真正意义上的绝对定量。FMT应用其专利的荧光分子断层技术对体内信号进行探测及定量分析，最终的定量结果以探针浓度表示，并可精确量化至皮摩尔级别（如右下图），因此是真正意义上的绝对精确定量。另外，现有技术的定量算法均是基于小鼠体内组织为均质模型而建立。这一方面导致数据的非真实性，因为在真实小鼠体内各种组织并非均质，不同组织对于可见光的发散和吸收程度均不相同（如左下图），在定量运算时，如
4、果不考虑这些因素，则结果将于实际情况出现很大偏差；另一方面，如果不考虑以上因素，那么对于不同深度位置的信号定量将无法进行，因为对于同一深度的信号，小鼠体位摆放不同将导致不同的体表定量结果。而FMT的31pmolSecretAgent“X”31pmolSecretAgent“X”体表光强浓度信息传统技术采用体表光强作为定量单位，为相对定量；FMT定量结果能够真实反映探针浓度，为绝对定量。荧光在体内的强度不随深度的加深而衰减不同组织对可见光的发散程度不同白光反射照明定量运算充分考虑了光信号在体内传播过程中的复杂性（如组织异质性、不同组织对光信号的吸收及发散程度、轮廓边缘性等），因此保证了定量结果的
5、真实性和可信度（如右下图）。真实的绝对定量才能为研究者提供可靠的实验分析数据，而错误的定量结果则会导致错误的实验结论，在疾病的观测分析、药物筛选及药效分析方面，定量的真实可靠将直接影响最终的决定，因此，绝对定量将成为今后活体光学成像应用的基本要求。2.体内深层信号观测体内深层信号观测目前，由于技术所限，绝大多数活体成像实验均是基于反射照明技术而进行的浅层（如皮下、腹腔等部位）信号观测，然而，随着科研水平的发展和深入，越来越多的实验开始要求进行体内深层（如肝、肺、心血管等部位）信号成像。现有成像技术大多采用白光光源（氙灯或卤素灯）及反射照明方式进行信号激发（如左下图），这种激发技术由于光源强度及
6、照明方式的限制，因而无法有效地应用于深层信号的观测。FMT成像系统采用固态激光器作为激发光源，并结合底透激发方式（如右下图），使在小鼠体内进行深层信号观测成为可能。这很大程度的扩展了活体光学成像技术在生物及医学研究中的应用范畴，如进行深层器官或组织原位肿瘤的相关研究、深层部位肿瘤转移的研究、深层部位炎症疾病的相关研究、心血管疾病的研究，神经系统疾病研究及深层部位药物分布、靶向性及药效评价研究等。激光透射照明激光透射照明LED反射照明通过反射激发成像无法呈现深度信号（左），而通过FMT透射激发成像，能够清晰呈现肺部哮喘信号（右）FMT硬件结构示意图FMT三维成像结果3.3D断层扫描及重建断层扫描
7、及重建随着研究水平的提高，传统基于二维体表成像的方式已不能满足科研的需要，因为所有生命现象均不是发生在二维水平，要获取完整丰富的生物学数据，必须在三维水平进行成像、观测及分析。FMT荧光3D断层技术利用激光底透扫描以及超声探头深度定位的方式（左下图），获取10万级数量的不同断层深度荧光信息（右下图），并结合独特的算法及强大的3D重建和分析软件实现真实的三维断层信号扫描及重建，从而得到目的荧光的形态，浓度，体积等三维定量信息，实现了从二维水平研究向三维水平的突破。而目前其他3D成像技术完全是对FMT技术的不成功模仿：从硬件角度来说，虽然也采用底部透射照明方式，但其光源仍为白光光源（左上图上），如
8、上所述无法实现深层信号的有效激发，另外，其底部激发点的限定是通过一个多孔铁板（左上图下），由于小孔数量有限，因此无法得到数以万计的丰富数据，再者，其没有用于探测小鼠体位深度的探测器（如超声探头），因而无法给出不同深度的分层信息，导致其3D重建仍是基于体表光学信号的简单回归（右上图）；从软件及3D重建算法而言，FMT充分考虑了小鼠组织异质性、散射性、厚度不一致性等因素对于3D重建准确度的影响，因此保证了3D数据定量的准确度及真实性，而其它模仿技术均未考虑上述复杂因素，因此在真实性及准确度方面相去甚远，可以说这些模仿技术均是伪三维技术。4.多通道探针同时成像多通道探针同时成像之前，应用可见光成像技
9、术的研究大多局限于在一个实验中使用一种探针观测一种生物学现象。然而，生物体是由复杂的网络构成，任何一个生物学过程都不可能单独发生，因此，分子成像的目的是在整体水平研究疾病相关分子事件及其相互作用网络的动态变化。这就需要成像系统具备同时成像多种探针的能力。FMT成像系统配备有多个通道的激光器（2个或4个），因此，研究人员可以同时利用不同波段的多个探针标记多种对象，从而在一个实验中观测相关的生物学过程，如利用肿瘤靶向探针反映肿瘤本身变化，同时利用新生血管标记探针揭示在肿瘤发展过程中其周边新生血管的生成。5.多模式成像多模式成像分子影像学发展至今，陆续出现了基于小动物活体成像的microCT、mic
10、roMRI、microPET、microSPECT及microUltrasound，研究人员已将各种影像方法广泛应用于小动物活体水平研究。而随着研究的深入以及技术的发展，分子影像学的发展趋势已从单独使用一种成像模式转为同时结合多种成像模式获取更为丰富的生物学数据，如将PET或SPECT与CT联用，在获取功能性影像数据的同时，得到结构性解剖学信息。因此，将多种影像学方法结合使用，已成为今后分子影像学发展的方向。FMT小动物活体成像系统除具备可见光活体成像功能外，还配备有与其他成像模式结合使用的配套模块，通过这些适配器（如下图上），可实现FMT与MRI（Bruker）、CT（GE/GammaMed
11、ica）、SPECT/PET/CT（Siemens）等多种影像系统的复合使用（如下图下），获取更为丰富的影像学信息，使科研水平得到极大提升。FMT小动物活体荧光成像的金标准和最佳选择！6.生物医学转化潜力生物医学转化潜力目前，活体光学成像技术的应用领域主要局限于利用小动物进行临床前研究。然而，由于可见光成像相对于核素成像或磁共振成像具有诸多优势，如操作简便、结果直观、测量快速、对人体无辐射、对环境要求不高及费用低廉等，因此，研究人员希望在未来能够将可见光成像技术应用于临床医学诊断。限制可见光成像技术应用于临床的主要原因之一是目前尚未出现合适的应用于人体的荧光探针。在小动物研究中目前使用的标记手
12、段有两大类：一是利用荧光素酶或荧光蛋白作为探针，通过基因改造的方法而对研究对象进行光学标记（如将荧光素酶基因稳定转染整合至目标细胞）；二是利用一些荧光有机染料或量子点等荧光探针，通过化学结合等方式直接标记研究对象（如使用ICG染料标记抗体，观测抗体在体内的分布靶向等特性）。由上述标记原理可知，第一类标记方法不可能被应用于人体标记，因为不可能将人的基因进行此类改造，另外，由于第一类方法的标记操作需要在体外完成，因此无法进行原发疾病的侦测。而第二类标记方式不需要对研究对象有任何改造，因此具备应用于临床研究的潜力。PerkinElmer公司一直致力于医学诊断解决方案的发展，因此，在推出FMT成像系统的同时，还配套推出了多种具有诊断潜能的荧光探针（如下图），这些探针包括能够检测与疾病发展相关的酶活性的探针（MMPSense、ProSense等）、能够反应血管相关病理的探针（AngioSense等）、能够识别靶向肿瘤表面标识物的探针（IntegriSense）以及用于蛋白、抗体、多肽等分子物质标记的荧光染料和量子点。这些探针的研发目的均是为了从转录后水平监测疾病的发展过程，因此随着技术的完善，相信将可见活体成像及监测技术应用于临床将成为可能。
