《PerkinElmer IVIS小动物活体光学成像系统的特点和优势》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PerkinElmer IVIS小动物活体光学成像系统的特点和优势（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、IVIS小动物活体光学成像系统的特点和优势 1、 公共 平台性 成像系统 随着 IVIS 成像技术的发展和成熟， 研究者已通过生物发光或荧光标记技术对多种研究对象进行标记，如肿瘤细胞 、 免疫细胞 、 干细胞 、 基因、 细菌 、 病毒 、多肽、抗体、纳米材料、药物 等等 。因此，应用 IVIS 成像系统进行的研究已涉及生物学的各个领域，包括 癌症、干细胞、细菌及病毒、炎症、免疫疾病、神经疾病、心血管疾病、代谢疾病、基因治疗、新药研发 等 等 。 总而言之， IVIS 成像系统 可作为公共平台性设备，满足不同领域不同课题组的研究需求，实现从宏观（如在活体水平对疾病整体发展过程的观测）到微观（如
2、在活体水平 对细胞动态变化及基因表达的实时观测）的 系统性研究。 2、 集 多种成像模式 于一体 随着活体成像技术的发展，越来越多的研究人员开始将多种成像模式 联合 使用，以期达到 更全面深入地研究生物学现象的目的。 IVIS 系列成像系统包含 IVIS Lumina 系列、 IVIS Spectrum、 IVIS Quantum FX CT 及 IVIS Spectrum CT。 IVIS Lumina 系列成像系统同时具备白光、极高灵敏度的生物发光、强大的荧光及切伦科夫辐射成像等多模式 二维 成像功能， 其中 Lumina XR 系统在具备上述功能的基础上，还增加了 X 光成像功能，使研究
3、人员在获取二维光学信号的同时，能够进行二维结构学的辅助定位。 IVIS Spectrum 除了具备上述的二维成像功能外（ X光除外），还具备独一无二的三维生物发光及荧光成像功能，使研究者能够洞悉体内的真实三维信号，另外，Spectrum 还能与 IVIS Quantum FX CT 联合使用，从而将 3D 功能学信息与 CT 结构学信息进行融合 。 IVIS Spectrum CT 是对 Spectrum 的完美升级，是在 Spectrum 的功能基础上整合了高性能的 CT 成像功能，实现了将功能学成像与结构学成像在同一个仪器上的完美整合。 基于 IVIS 系统的上述成像功能，研究人员既可单独
4、使用某种功能进行成像，又可同时利用多种功能进行复合成像 。如在一个实验中利用荧光蛋白标记肿瘤细胞（观测肿瘤的发展），同时利用荧光染料或量子点标记多肽、抗体 或 药物（观测抗体等在体内的分布及对肿瘤的靶向性），而实验所用的小鼠为利用生物发光技术标记的用于研究特定基因表达的转基因小鼠（观测在肿瘤发展 过程中与肿瘤发展相关的特定基因的表达），由此，在一个实验流程中，既完成了对某个单一生物学现象的研究（如上述所示肿瘤发展过程），又可同时对若干相关生物学现象进行观测（肿瘤发展、抗体靶向及特定基因表达），实现了系统性的实验观测以及对多个相关生物学现象的解释。 3、 业内 公认最高灵敏度 活体可见光 成像
5、作为功能性成像方法，其使用目的是在活体水平上解决是否能够观测到信号以及能够观测多少级别的信号（如能观测多少数量的细胞，多少浓度的荧光染料等）。因此，对于活体 光学 成像 系统性能 而言，最重要的参数 是检测 灵敏度 ， 灵敏度的高低直接反映了成像系统的成像能力，灵敏度高则能够实现对微小信号的观测（如肿瘤生长初期的信号观测、肿瘤微小转移灶的观测、低数量干细胞及免疫细胞的观测等）。 IVIS 技术拥有 全球公认的 极高 灵敏度， 并已得到多篇高水平文章的证实，如 2003 年发表在血液学权威杂志 Blood（ Edinger, M. et al, 2003 101(2): 646） 的文章指出“
6、This approach has several advantages over conventional tumor models: the sensitivity of cell detection in vivo is surprisingly high and exceeds even the sensitivity of detection by flow cytometry ex vivo. As few as 7 x 103 cells are detectable in the lungs early after injection, 2-2.5 x 104 cells wi
7、thin liver or spleen, and as few as 1 x 104 tumor cells within the BM of a femur give rise to a sufficient signal to be detected externally. In other experiments using cells with even higher luciferase expression, as few as 100 cells can be reliably detected in the peritoneal cavity of living animal
8、s”； 2008 年发表在著名期刊 PNAS（ PNAS 2008,105(38):14342-14346）的文章显示应用 IVIS 成像系统，在小鼠皮下 最少可以检测到 经生物发光 标记的 3 个 T 细胞 ； 2010 年发表在权威期刊 PLOS ONE（ PlosOne 2010, Volume 5 , Issue 2）的实验结果显示应用 IVIS 成像系统可观测到皮下单个 4T1-luc2-1A4 细胞。 以上结果均通过具体实验数据证实了 IVIS 成像系统 独一无二的检测 灵敏度。 因而在检测微小转移灶、轻微感染 以及观测体内深层脏器及开展颅内检测等研究中， IVIS 技术 均具有绝
9、对优势。 而 极高的灵敏度 是基于 IVIS 系统的以下几个特点： a. 采用背照射、背部薄化科学一级 CCD（产自全球最大 CCD 芯片制造商 E2V 公司）。该类型芯片是在光信号到达 CCD 芯片之间的光路上去掉多硅层和二氧化硅层，可大大提高 CCD 的量子 效率， 量子效率越高，代表 CCD 获取光信号的能力越强，因此检测灵敏度越高。 b. CCD 的工作温度为 绝对 -900C（环境温度低达 -1200C 左右） 。 CCD 噪音主要包括暗电流和读出噪音，而CCD 工作发热是暗电流和读数噪音的主要来源，工作温度越低，暗电流越小，读数噪音越小，信噪比越高。 c. 采用定焦镜头，最大光圈为
10、 f/0.95（ 此分母越小越好 ） 可实现最大 程度 光的透过性，使获得高感光效率成为可能 。 d. 感光的动态范围大于 11 个数量级。 动态范围越广，强弱信号处理能力越强，如果动力学范围较窄，则同时成像强信号及弱信号时，强信号会将弱信号覆盖，无法成像弱信号。 e. 发光专利技术利用荧光素酶（ Luciferase）与荧光素 （ Luciferin） 作用的生物发光原理，而不是利用激发光与反射光的荧光成像。酶和底物的特异性要远远 超过荧光物质发光的特异性，可以形成极高的信噪比。所以生物发光的灵敏度要高出荧光的灵敏度大约一万倍（ 104） ，并且有更高的特异性。 f. 对外界光线绝对封闭的暗
11、箱设计，包括屏蔽宇宙射线等，使其技术在正常实验室光线下即可成像，灵敏到可以检测到无任何标记动物体内自发的微弱可见光。 4、 最优化的荧光成像解决方案 相对于生物发光成像而言，荧光成像由于需要外源激发光对目标信号进行激发，因此，其影响因素更为复杂。干扰荧光成像的主要因素包括： 1、体内其他物质对外源激发光的吸收和发散而产生的组织背景荧光； 2、可见光穿透能力有限而导致的深层荧光信号成像问题； 3、荧光探针在体内非目标区域存在而产生的非特异性信号。 IVIS技术针对上述问题采取了 一系列针对性的解决方案。 a. 多光谱分离技术 通过利用多个波段的滤光片在目标探针光谱范围内进行多波长扫描，获取不同波
12、段的信号差异，进而将探针信号与背景信号区分开来。这一功能的实现是基于丰富的荧光滤光片配置， Lumina 系列 成像系统 除 标配 10 块激发光滤光片和 4 块发射光滤光片外， 还可选配另外三组（每组 7 个） 20nm 高分辨率窄带发射光滤片，而 Spectrum 及 Spectrum CT 两款机型标配的发射光滤片即为 18 个高分辨率 20nm 窄带滤片，因此， IVIS 系统的观测范围涵盖了从 430-885nm 的整个可见光及近红外光区域，使得市面上的几乎所有荧光探针都可以应用。同时，基于荧光多光谱分离技术，研究者还可在一个实验中利用多种不同波长的探针监测不同的对象，满足多探针成像
13、的要求。 b. 透射成像技术 传统的活体荧光成像技术对于皮下或腹腔等浅层信号 的成像具有很好的应用，但对于 体内深层荧光信号（如肺部、心脏等） 的成像往往不能获得好的结果。主要原因在于传统 活体荧光成像技术通常采用反射照明对信号进行激发，而反射照明的激发范围为小鼠全身，从而导致激发光能量过于分散而无法有效激发体内深层部位的信号，同时也造成大范围自发荧光的产生。 IVIS Spectrum 及 Spectrum CT 在具备反射照明满足浅层信号成像的同时，采用了底部点透射的激发方式，从而有效解决了深层部位荧光信号的成像问题。 这种底部透射技术结合了快速扫描（ Raster Scan）方式，并采取
14、每点两次扫描的方式，根据两次扫描的结果差异进行校准分析，从而去除掉边缘效应、异质性等误差影响，最终得到准确的成像结 果。 透射成像技术的应用，很大程度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。 c. DYCE 成像技术 干扰荧光成像的另外一大因素是非特异信号在目标区域外的存留，这主要是由于经血液循环系统注入体内的荧光探针在体内会有一个分布代谢的过程。这些非特异信号的存在，一方面会干扰我们对特异信号的观测，另一方面会导
15、致对特异信号定量的不准确。 IVIS 成像技术独有的动态对比度增强技术 DYCE（ Dynamic Contrast Enhancement），通过对多个时间点的体内荧光信号进行获取，结合多光谱分离技术，从而将特定部位的荧光信号分离提取出来，并实现准确定量。 5、 业内公认的定量金标准 利用活体 光学 成像 技术进行研究， 不仅是 为了获得 漂亮的 图片结果 ，并且 需要得到具有生物学意义的 定量 数据 。 硬件方面： IVIS 技术利用 NIST 标注方法 对每一台仪器 的光路系统 进行 精确 校正， 保证所有仪器的感光性能精确一致，实现 全球 不同实验室得到的结果 可 相互 进行比较 验证
16、 。定量标准方面：对于生物发光信号定量， IVIS 技术检测的数据是 动物体表绝对发光 量 ，即 单位时间、单位面积、单位弧度从动物体表发出的绝对光子数（ photons/sec/cm2/sr），应用这种定量标准，可保证研究人员对不同时间点或应用不同拍摄 参数进行成像的结果具 有可比性及可重复性；对于荧光信号定量， IVIS 技术充分考虑到了激发光的波动及激发区域的不均匀性等特点，而采用 Radiant Efficiency（ photons/sec/cm2/sr/uw/cm2）为定量单位，同样保证了定量数据的准确度及重复性 。 这些定量标准均为 IVIS 技术独有，而其他厂家均达不到如此高度的精确性。软件方面： 利用 IVIS 独有的 ROI（ Region of interest） 定量 圈选 功能，可以分别对每个微小区域进行精确测量， 增强了数据的可靠性及可比性，为国际高水平杂志所认可 ，另外， 利用 IVIS 独有的 快速高通量微孔板 ROI 精确定
