多模光学成像

大家好！我们非常高兴地宣布，振电（苏州）医疗科技有限公司的多模态非线性光学成像系统UltraView成功交付给了厦门大学。此次交付包括讲座和上机培训，反馈非常良好。讲座由公司CEO、北京航空航天大学特聘教授王璞亲自主讲，他向厦门大学的科研团队介绍了UltraView的技术特点和优势，现场进行了热烈的提问和交流。在场的学者们纷纷表示，通过此次讲座，他们对多模态非线性光学成像技术有了更深刻的认识，对UltraView的应用前景充满信心。 随后，我们安排资深工程师进行了上机培训，帮助他们熟悉UltraView的使用方法和操作流程。工程师耐心地为学者们解答各种问题，培训现场气氛轻松、活泼，学者们积极参与。通过此次交付，我们对UltraView的应用前景充满信心。我们相信，它将为厦门大学的科研工作带来很大的助力，并帮助他们在医疗诊断、药物研发等方面取得更好的成果。感谢厦门大学的信任和支持，我们将继续为客户提供最优质的产品和服务，助力科学研究事业的发展。 振电（苏州）医疗科技有限公司开发的“多模态非线性光学显微成像系统UltraView”利用相干拉曼成像技术，帮助您实现活体细胞、组织等样本，从核酸、氨基酸、脂质、糖类等组分的无标记、化学特异性显微成像，最大程度上保持了生物原有的生理状态；能实现二维到三维，从静态到动态变化过程的快速高分辨率成像。

作为一项新兴的分子、基因表达的分析检测技术，在体生物光学成像已成功应用于生命科学、生物医学、分子生物学和药物研发等领域，取得了大量研究成果，主要包括： 在体监测肿瘤的生长和转移、基因治疗中的基因表达、机体的生理病理改变过程以及进行药物的筛选和评价等。 1、在体监测肿瘤的生长和转移 利用在体生物光学成像技术，通过荧光素酶或绿色荧光蛋白标记肿瘤细胞，可以实时监测被标记肿瘤细胞在生物体内生长、转移、对药物的反应等生理和病理活动，揭示肿瘤发生发展的细胞和分子机制。Contag 等[1] 将荧光素酶和绿色荧光蛋白作为报告基因，对肿瘤细胞进行活体成像，探讨了使用报告基因在细胞分子水平研究肿瘤的前景，并指出在体生物光学成像技术具有较高的灵敏度，尤其在监测肿瘤细胞的生长方面具有较大优势。Yang等[2,3] 首先利用光学成像系统对表达绿色荧光蛋白的肿瘤实现了实时非侵入性成像，记录了肿瘤的转移过程，开辟了在整体水平上无创、在体、实时跟踪肿瘤发生、发展和转移等生物学行为的崭新领域。Jenkins 等[4] 将标记了荧光素酶基因的人类前列腺癌细胞注射到小鼠体内，利用在体生物光学成像系统，实时、在体监测了前列腺癌细胞化疗后的复发和转移情况。基于绿色荧光蛋白的在体生物光学成像也在肺癌、大肠癌、前列腺癌、胰腺癌、黑色素瘤、脑胶质瘤和乳腺癌等多种肿瘤的生长转移等研究中得到了越来越广泛的应用[2,3,5,6]。 2、在体监测基因治疗中的基因表达 随着后基因组时代的到来和人们对疾病发生发展机制的深入了解，在基因水平上治疗肿瘤、心血管疾病、AIDS 和分子遗传病等恶性疾病已经得到国内外研究人员越来越广泛的关注。如何客观地检测基因治疗的临床疗效判断终点，有效监测转基因在生物体内的传送，并定量检测基因治疗的转基因表达，已经成为基因治疗应用的关键所在。通过荧光素酶或绿色荧光蛋白等报告基因，在体生物光学成像技术能够进行基因表达的准确定位和定量分析，在整体水平上无创、实时、定量地检测转基因的时空表达[7]。McCaffrey 等[8] 将荧光素酶标记在靶基因上，应用siRNA 及shRNA 减弱了小鼠转染的荧光素酶的表达，在活体动物体内首次实时观察到siRNA 对特异靶基因表达的阻断作用。以病毒[9，10](如腺病毒及腺相关病毒等) 作载体，将荧光素酶基因或绿色荧光蛋白等作为报告基因加入载体，采用在体生物光学成像，能够实时观察病毒在动物体内的侵染活动，获取病毒侵染部位等相关信息。 3、揭示机体的生理病理改变过程 目前，在体生物光学成像技术已成功应用于干细胞移植、肿瘤免疫、毒血症、风湿性关节炎、皮炎等发病机制的研究中，可以实时监测生物机体的生理病理改变过程，具有重要的临床意义。应用转基因鼠，Wang等[11] 将荧光素酶基因转导于人类造血干细胞(Hematopoietic stem cells，HSC) 中，并将其植入脾及骨髓，利用在体生物光学成像技术，揭示了HSC 在小鼠骨髓腔中植活、增殖等动态信息，实时监测HSC 的后代在小鼠体内的生长等。Kim等[12] 将荧光素酶基因转染于神经前体细胞(Neuralprogenitor cell，NPC)，并注射入小鼠脑梗模型中，在体生物光学成像系统显示神经前体细胞迅速游走聚集至梗塞病灶处。风湿性关节炎和类风湿性关节炎的动物模型研究表明： 荧光报告基因在患关节炎的关节局部产生荧光信号，在健康组织周围未见荧光信号，能够动态观测关节炎的发生和发展，对关节炎疾病的治疗具有重要意义。另外，在体生物光学成像技术在生物大分子间相互作用及细胞凋亡的研究中也取得了一定进展。Paulmurugan 等[13] 将胰岛素样生长因子与胰岛素样生长因子结合蛋白分别用绿色荧光蛋白及Renilla 荧光素酶基因融合，研究它们之间在活体小动物体内的相互作用。 4、药物的筛选和评价 目前，转基因动物模型已大量应用于病理研究、药物研发、药物筛选和药物评价等领域。 通过体外基因转染或直接注射等手段，将荧光素酶或绿色荧光蛋白等报告基因标记在生物体内的任何细胞(如肿瘤细胞、造血细胞等) 上，采用在体生物光学成像技术对其示踪，了解细胞在生物体内的转移规律，不仅能够检测转基因动物体内的基因表达或内源性基因的活性和功能，而且能够对药物筛选及疗效进行评价。Zhang 等[14] 利用转基因鼠，研究可诱导的NO 合成酶在急慢性免疫反应中的作用，并以此对多种化合物进行抗免疫反应的测试和筛选。肺癌、前列腺癌、黑色素瘤、结肠癌、胰腺癌、乳腺癌、卵巢癌和脑癌的原位GFP 肿瘤的整体荧光成像模型已经建立[15]，利用转移鼠和血管鼠实现了抗肿瘤生长转移和血管生成的在体药物筛选和评价(http：//www.metamouse.com)。基于绿色荧光蛋白的在体荧光成像揭示了肿瘤发生发展的细胞和分子机制，非侵入性在体评价抗肿瘤药物的疗效[1]。 参考文献 1、 Contag C H，Jenkins D，Contag P R，Negrin R S. Use of reporter genes for optical measurements of neoplastic disease in vivo. Neoplasia，2000，2(1-2)： 41~52 2、 Yang M，Baranov E，Jiang P，Sun F X，Li X M，Li L. Whole-body optical imaging of green fluorescent protein expressing tumors and metastases. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2000，97(3)： 1206~1211 3、 Yang M，Baranov E，Wang J W，Jiang P，Wang X，Sun F X. Direct external imaging of nascent cancer，tumor progression，angiogenesis，and metastasis on internal organs in the fluorescent orthotopic model. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2002，99(6)： 3824~3829 4、 Jenkins D E，Yu S F，Hornig Y S，Purchio T，Contag P R. In vivo monitoring of tumor relapse and metastasis using bioluminescent PC-3M-luc-C6 cells in murine models of human prostate cancer. Clinical and Experimental Metastasis,2003，20(8)： 745~756 5、 Hasegawa S，Yang M，Chishima T，Miyagi Y，Shimada H，Moossa A R. In vivo tumor delivery of the green fluorescent protein gene to report future occurrence of metastasis. Cancer Gene Therapy，2000，7(10)： 1336~1340 6、 Bouvet M，Wang J W，Nardin S R，Yang M，Baranov E,Jiang P. Real-time optical imaging of primary tumor growth and multiple metastatic events in a pan creatic cancer orthotopic model. Cancer Research，2002，62(5)： 1534~1540 7、 Vassaux G，Groot-Wassink T. In vivo noninvasive imaging for gene therapy. Journal of Biomedicine and Biotechnology，2003，2003(2)： 92~101 8、 McCaffrey A P，Meuse L，Pham T T，Conklin D S，Hannon G J，Kay M A. RNA interference in adult mice. Nature，2002，418(6893)： 38~39 9、 Sato M，Johnson M，Zhang L Q，Zhang B，Le K，Gambhir S S. Optimization of adenoviral vectors to direct highly amplied prostate-specificexpression for imaging and genetherapy. Molecular Therapy，2003，8(5)： 726~737 10、 Tseng J C，Levin B，Hunado A，Yee H，de Castro I P,Jimenez M. Systemic tumor targeting and killing by Sindbis viral vectors. Nature Biotechnology，2004，22(1)： 70~77 11、 Wang X，Rosol M，Ge S，Peterson D，McNamara G，Pollack H. Dynamic tracking of human hematopoietic stem cell engraftment using in vivo bioluminescence imaging. Blood，2003，102(10)： 3478~3482 12、 Kim D E，Schellingerhout D，Ishii K，Shah K，Weissleder R. Imaging of stem cell recruitment to ischemic infarcts in a murine model. Stroke，2004，35(4)： 952~957 13、 Paulmurugan R，Gambhir S S. Monitoring protein-protein interactions using split synthetic renilla luciferase protein-fragment-assisted complementation. Analytical Chemistry，2003，75(7)： l584~1589 14、 Zhang N，Weber A，Li B，Lyons R，Contag P R，Purchio A F. An inducible nitric oxide synthase-luciferase reporter system for in vivo testing of anti-inflammatory compounds in transgenic mice. The Journal of Immunology，2003，170(12)：6307~6319 15、 Hoffman R M. Green fluorescent protein imaging of tumour growth，metastasis，and angiogenesis in mouse models. The Lancet Oncology，2002，3(9)： 546~556

近期，中国科学院半导体研究所研发的“水睛”水下高分辨率环视摄像机完成了针对水下礁盘的摸底海试工作。海洋观测是开发海洋资源、保护海洋生态的关键技术，受到全球的关注，但是目前海洋生物群落及环境变化监测技术仍无法满足海洋大时空数据获取的需求，特别是深海。光学成像技术可提供高分辨率、符合人眼视觉特征的图像，但是在保障高分辨率的前提下存在视场小的问题，难以实现大范围的海底详查的需求。针对此种情况，半导体所周燕、王新伟及其科研团队研制了水下高分辨率环视摄像机“水睛”，可实现水下高分辨率大视角的光学成像，具备180°下视走航观测和360°原位环视观测两种模式（图1）。本次海试中，“水睛”搭载半导体所海面移动光学试验平台“冲浪者”号（图2），在约1000平方米海域进行了水下高分辨观测，完成了海上走航式观测、定点原位观测等摸底性观测试验，验证了设备具备5900万像素下良好的实时彩色成像功能。图1 水下环视摄像机的下视及环视工作模式（上图下视模式，下图环视模式）图2 搭载冲浪者号走航式观测过程中的“水睛”摄像机此次海试，研究人员利用水下摄像机多次完成了礁盘生态系统的观测，拍摄了大量的珊瑚、海星、贝类、鱼类等，形成了水下光学彩色图像库（图3），可用于海洋光学图像处理、目标识别等算法研究。图3海域美丽的珊瑚、鱼类、海星、砗磲等除珊瑚及鱼类等生物要素外，本次海试中，在海底还发现了生物附着的碗和盘子各一只（图4）。图4 生物附着的盘子和碗此次海试由半导体所和南开大学共同组织完成，除“水睛”摄像机外，还利用多参量海洋水体测量系统完成了海洋温盐深、核素、水体光学衰减系数等海洋水体多物理化学参量采集。相关工作得到了南方海洋实验室、中科院青促会项目的经费支持。 图5 项目团队及设备在海试现场