活体光学成像技术专栏| 荧光成像与生物发光成像技术的比较

瑞沃德

2020/09/08

私聊

生命科学仪器综合讨论

引言

在上一期的专栏里，我们对荧光成像和生物发光的基本原理进行了对比。同时也留下了几个问题：针对我的课题，生物发光和荧光成像哪个好？什么情况下选择生物发光，什么情况下选择荧光成像。别急，今天将为大家解答关键问题：荧光成像和生物发光成像的优缺点是什么？

一、 荧光成像技术的优点

相比生物发光成像，荧光成像技术的优势主要表现在：

1. 荧光蛋白及荧光染料的标记能力更强。

荧光标记分子种类繁多，包括荧光蛋白、荧光染料、量子点标记等，可以对基因、蛋白、抗体、化合药物等进行标记。应用范围极广，可以对样本进行多色标记，一个样本同时获得多种细胞或药物的分布。

2. 信号强度高

由于荧光成像的光子强度较生物发光更强，持续时间长，对CCD的灵敏度要求相对较低，不需要必须配备低温冷CCD即可获得清晰的成像结果，节省实验成本和购置成本。

3. 实验成本低，成像过程简单

相比生物发光成像，成像前无需注射荧光素酶底物。有合适的激发光源照射就可以发出特定波长的发射光。只要荧光基团稳定，就可实现随时激发随时发光随时检测。

4. 从活体到离体均可成像

相比生物发光只能在活细胞内才会产生发光。荧光蛋白或荧光染料只需要保持荧光基团稳定即可稳定发光。可以在活体或离体组织器官进行观察，在实验前期荧光材料制备阶段，可以直接在EP管中进行成像观察。

5. 应用范围广

相比生物发光成像，荧光成像技术应用范围极广。在肿瘤生长与转移、药物的分布与代谢、纳米颗粒的靶向性与代谢、植物基因的表达、生物相容性材料开发、新型标记技术的开发等多个研究中均可用到荧光成像技术。（点击了解FOBI整体荧光成像在上述领域的应用）

二、 生物发光技术的优点

相比荧光成像，生物发光成像的主要优势表现在：

1、特异性强，无自发荧光

以荧光素酶作为体内报告源的生物发光方法，特异性极强。由于动物本身没有任何自发光，使得生物发光具有极低的背景和极高的信噪比。

2、高灵敏度

由于生物体内很多物质在激发光的照射下也会发出荧光，这些非特异性荧光背景会影响检测灵敏度，荧光成像的灵敏度最高可在动物体内检测到约10⁴细胞，而生物发光具有在动物体内监测10²数量级细胞的灵敏度。

3、检测深度更高

对于需要在深部组织下进行的研究（检测的深度在3~4cm），应用生物发光是最佳的选择。

4、精确定量

由于荧光素酶基因是插入细胞染色体中稳定表达的，单位细胞的发光数量、发光条件相对稳定。即使标记细胞在动物体内有复杂的定位，亦可从动物体表的信号水平测量出发光细胞的相对数量。

荧光成像和生物发光技术，是互为补充，分别满足不同的研究领域。对于不同的研究，可根据两者的特定及实验要求，选择合适的方法。

	优点	缺点
荧光成像技术	2 荧光染料、蛋白标记能力强，可用于多重标记,信号强度大，成像速度快。 2 实验成本低。 2 体内、体外，器官、活体均可成像。 2 应用范围极广	n 非特异性荧光限制了灵敏度，体内检测最低约104细胞。 n 检测深度受限制，较难精确体内定量。
生物发光技术	2 特异性强，无自发荧光，背景低。 2 高灵敏度，在体内可检测到几百个细胞 2 可精确定量。	n 信号较弱，检测时间较长，需要灵敏的CCD镜头，仪器价格贵。 n 要求高，需要注入荧光素，实验成本高。 n 只能用于细胞标记，应用范围窄。

结束语

随着活体成像技术的发展特别是荧光标记技术的发展，越来越多的生物学研究需要用到活体光学成像的方法。无论大家是选择生物发光或者荧光成像技术，苦恼总是随之而来，例如：生物素在体内可以维持多长时间？荧光蛋白和染料种类繁多，我该怎样选择呀？别急，下期我们继续为大家介绍关于活体成像技术应用与选择的问题与难点。

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参考文献

1. Su, Y., Walker, J.R., Park, Y. et al. Novel NanoLuc substrates enable bright two-population bioluminescence imaging in animals. Nat Methods 17, 852–860 (2020).

2. M.Keyaerts V.Caveliers T.Lahoutte Comprehensive Biomedical Physics Volume 4, 2014, Pages 245-256.