小动物代谢监控系统

动物模型对医学的发展意义重大，通过对动物本身的生命现象研究进而推进到人类，探索人类生命的奥秘，更是生命科学研究的支撑条件之一。1999年，美国哈佛大学Weissleder等人提出了分子影像学（molecular imaging）的概念—应用影像学方法，它使活体动物体内成像成为可能。近年来，随着活体成像技术广泛应用于研究观测特异性细胞、追踪靶细胞、药物和基因治疗最优化等，各类小动物活体成像系统不断涌现，为生命科学研究提供了有力保障。根据技术不同系统主要分为光学成像、 核素成像(PET、SPECT）磁共振成像 （MRI）、CT成像、超声成像、磁粒子成像（MPI），在一定程度上，这些技术大多不存在竞争取代，而是互补共存的关系。其中，光学成像技术在小动物活体成像系统中应用最为广泛。基于此，本文聚焦国内高校和科研院所共享的小动物活体成像系统，对科研用光学成像技术为核心的系统进行统计分析，在一定程度上或可得出国内科研用小动物活体成像系统的使用情况。（注：本文搜集信息来源于重大科研基础设施和大型科研仪器国家网络管理平台，不完全统计分析仅供读者参考）光学成像技术光学成像主要采用生物发光（bioluminescence）与荧光（fluorescence）两种技术。生物发光是用荧光素酶（Luciferase）基因标记细胞或DNA，而荧光技术则采用荧光报告基团（GFP、RFP, Cyt及dyes等）进行标记。小动物活体成像系统通过非常灵敏的光学检测仪器，让研究人员能够直接监控活体生物体内的细胞活动和基因行为，观测活体动物体内肿瘤的生长及转移、感染性疾病发展过程、特定基因的表达等生物学过程。共享小动物活体成像系统集中教育强省统计高校和科研院所在全国仪器共享平台上传的数据，截止2021年6月15日，平台上小动物活体成像系统（光学成像）的总数量为119台，涉及24个省份、直辖市、自治区。其中，北京、江苏、浙江、广东的小动物活体成像系统（光学成像）数量大于10台，仪器资源依然集中分布在高等教育强省，存在资源分布不均的问题。珀金埃尔默最受高校欢迎 从全国共享小动物活体成像系统（光学成像）品牌分布来看，高校和科研院所更青睐进口。珀金埃尔默独占近二分之一的市场，Caliper、carestream healthy、Berthold、Bruker、KODAK占比41.53%，CRI等品牌瓜分剩余八分之一的市场。据悉，2011年，珀金埃尔默收购了专注于生命科学研究、成像和检测服务的Caliper Life Sciences公司，在动物成像领域更进一步。所以，珀金埃尔默相当于占比66.1%，在高校和科研院所更受欢迎。省份品牌分布零散从全国共享小动物活体成像系统（光学成像）数量top7省份的仪器品牌分布来看，珀金埃尔默在北京、江苏、浙江、广东、上海、湖南的高校和科研院所中均有很强的竞争力，在福建的品牌覆盖度低，可能与宣传力度和高校科研方向等因素有关。从北京品牌分布来看，大趋势与全国共享小动物活体成像系统（光学成像）品牌分布相同，珀金埃尔默以绝对优势占据60%，carestream healthy、Bruker、Visualsonics、GE、Princeton Instruments等品牌分布零散，但在高校和科研院所的仪器采购中也存在一定的竞争力。

何为电子共振成像（ERI）？电子顺磁共振（EPR）是当今材料表征手段之一，该技术通过检测样品中的未成对电子在磁场线圈中的跃迁所产生的顺磁图谱来研究物质结构信息和动态信息。初这种技术主要用于研究复杂原子的电子结构、晶体结构、原子偶矩及分子结构等问题。在随后的发展中逐渐向化学和生物学领域扩展，主要用于阐明复杂的有机化合物中的化学键和电子密度分布以及动植物中存在自由基等问题。随着医学的发展，生物组织内的氧含量被发现与诸多疾病有着直接关系，而EPR能够很好地应用于这一检测。在EPR基础上研发的电子共振成像（ERI）是一种使用特定磁场对外部注射的自旋探针进行成像的技术。这种技术使用的自旋探针往往基于一个孤电子的氮氧化物或三苯基类化合物，能够在生物体内因内环境的不同而发出不同的信号。因此能够用于活体实时监测生物体内的组分含量信息，诸如氧含量、氧化还原水平，pH变化，氧化应激水平等。 ERI的制造一直是一个难题，相较于传统的磁共振成像（MRI）来说，ERI需要的磁体更大，冷却技术要求难度更高，因此实现大尺度样品的成像十分困难。目前市面上的ERI设备腔体难以容纳一整只动物，因此难以实现小动物活体顺磁成像。近期Novilet公司研发的全新一代顺磁成像系统ERI TM 600成功攻克了ERI大样品活体成像的难题。将样品腔的直径扩大到了5 cm，其体积与传统顺磁共振波谱仪相当，为ERI活体成像技术扫清了障碍。电子共振成像有何优势？随着自旋探针的开发，现在已经有多种可用于成像的自旋探针问世，使得ERI也可用于生物成像。这种成像技术相较于荧光成像来说具有许多优势：自旋探针具有高度特异性，在成像中具有很高的信噪比，不易受到生物本身的影响；自旋探针代谢速度快、毒性低，对活体影响小；顺磁技术成像速度快、检测精度高（可达亚微米的分辨率），具有更好的时间、空间分辨率。 电子共振成像有何应用？● 肿瘤成像和监测● 神经退行性疾病的诊断● 监测缺氧和氧浓度区域及其机制● ROS成像和氧化应激反应的研究● 基于自旋探针的小动物成像● 脑部病变中的氧化应激水平检测

近年来，光学成像技术如荧光分子成像、光声成像和生物发光成像等广泛应用于小动物活体成像。同时，多模态成像技术的兴起将多种成像技术结合，为小动物活体成像提供了更精确和信息丰富的工具。为帮助广大用户及时了解小动物活体成像前沿技术、产品与整体解决方案，仪器信息网特别策划“小动物活体成像技术”主题征稿活动。本期约稿特别邀请广东光声科技有限公司CEO兼联合创始人王巍博士，就小动物活体成像技术发展、市场规模及未来趋势进行分享，并就广东光声科技研发的光声多模态小动物成像技术展开阐述，以飨读者。 本期嘉宾：王巍 CEO/联合创始人 广东光声科技有限公司王巍博士，广东光声科技有限公司CEO/联合创始人。2018年至今，就读于华南师范大学激光生命科学教育部重点实验室。从事光声成像仪器开发与落地转化，深度参与多项前沿科技项目，在光声成像技术上有多年持续的积累。2022年至今，作为广东光声科技有限公司的创始人之一，参与转化专利10余项，开发了全新的光声多模态小动物成像仪，具有丰富的产学研落地转化经验。仪器信息网：选择小动物活体成像技术赛道创业契机是什么？王巍：光声成像技术已经经过数十年的沉淀，但市场上仍没有相关成熟的光声显微活体成像仪器转化，前期已有非常多的高校和医院电话咨询我们团队，想与我们在科研领域深入合作，有一定的潜在市场空间，加之学校团队已经在这个领域积累多年，拥有非常丰富的仪器开发经验，我们已经是站在巨人的肩膀上做事，所以决定将已经积累的技术转化到市场上应用。光声成像由于它独特的成像优势，非常适合活体成像，我们是临床和科研小动物活体成像并驾齐驱在做，但由于临床转化时间较长，又由于科研市场的迫切需求，所以我们率先开发了光声多模态小动物成像系统，积累市场口碑。仪器信息网：从学生到创业者的身份转变感受如何？王巍：学生是生活在象牙塔里边的一类人群，可以不断试错，背后有导师和学校在托举，可以犯错，可以不断积累经验。但创业者是走在“刀尖”上的一类人，在资金有限的情况下，需要准确判断、坚定执行、承担后果。所以大多数创业者都会觉得创业难，所以需要不忘初心，保持热情，在已经竞争得白热化的相关赛道里，找到自己的出路，或是直线超车，或是弯道超车。具体来说有两难：对于一项新的医疗影像技术面世来说，首先就是大多数创业者所说的“难”，而我们是“难上加难”。我们的技术既具有颠覆性、又具有时效性，一项新的医疗影像技术走向成熟有很长的路要走，他既需要重新建立诊断标准又需要颠覆原有影像诊断的方法和习惯，这是第一难。第二难就是，资金雄厚的大厂要追逐我们的进度甚至赶超我们的进度，我们守擂难，同时我们也面临着国外品牌原有市场的竞争，我们打擂难。仪器信息网：请介绍一下小动物活体成像技术的发展历史。王巍：小动物活体成像技术的发展经历了几个关键阶段。在20世纪50年代到70年代，研究人员开始利用X线和放射性同位素示踪技术对小动物进行成像。随后，20世纪80年代后期，放射性示踪技术的进展引入了PET和SPECT等新方法。到了20世纪90年代以后，生物荧光分子标记技术如荧光素二酮-荧光素酶体系的开发，为研究人员提供了检测生物标记物的荧光信号来研究小动物体内生物进程的能力。近年来，光学成像技术如荧光分子成像、光声成像和生物发光成像等广泛应用于小动物活体成像。同时，多模态成像技术的兴起将多种成像技术结合，为小动物活体成像提供了更精确和信息丰富的工具。这些进展使得小动物活体成像技术成为研究人员观察小动物体内生理、病理过程和药物疗效等方面的重要非侵入性和高分辨率工具。仪器信息网：请分析下当前全球及中国小动物活体成像分析系统市场规模及现状。王巍：小动物活体成像技术是指应用成像方法对活体状态下的组织、细胞、分子水平的生物过程进行定性和定量研究。根据最新调研报告显示，预计2029年全球小动物活体成像系统市场规模将达到1.48亿美元，未来几年年复合增长率CAGR为4.1%。全球范围内小动物活体成像系统生产商主要包括Perkin Elmer、Idexx Laboratories、Aspect Imaging、Fujifilm Visualsonics、Trifoil Imaging、Bruker、Photon、Sunny Optical、Spectral Instruments Imaging、MILABS等。2022年，全球前五大厂商占有大约54.0%的市场份额。目前，全球核心厂商主要分布在欧美地区。就产品类型而言，目前光学成像是最主要的细分产品，占据大约66%的份额。就需求来源而言，目前实验室是最主要的需求来源，占据大约78%的份额。仪器信息网：如何看待小动物活体成像技术的壁垒以及国产化替代？王巍：技术壁垒主要集中在以下几个方面：1. 技术创新：小动物活体成像技术发展较为成熟，因此企业需要在技术上进行创新，开发更加先进、创新的成像技术和仪器。2. 设备制造：小动物活体成像仪器制造较为复杂，根据不同的成像技术需要采用不同的材料和工艺，如何保证设备质量和稳定性是制造方面需要考虑的重要问题。3. 市场定位：小动物活体成像市场规模较小，且市场需求不稳定，企业需要准确把握市场动态和技术趋势，发掘更多的市场机会。针对小动物活体成像国产化替代的问题，对于国产企业而言：1. 技术创新：通过技术创新和开发新型成像技术，提升设备分辨率、灵敏度和深度等性能指标，满足不同用户的实验需求。2. 降低成本：加强设备制造流程优化和效率提升，提高设备制造质量和效率，并且适当降低设备价格，提高市场竞争力。3. 市场营销：积极开展市场调研和推广，抓住市场机遇，开拓新的市场空间，根据市场需求提供个性化解决方案。总的来说，小动物活体成像市场仍处于初级发展阶段，市场空间较小，但在科研、药物开发等领域具有广阔的应用前景。通过技术创新和市场拓展，国产企业有望在小动物活体成像领域取得更大的突破。仪器信息网：如何看待当前中国小动物活体成像仪器市场，随着国产初创创新企业的不断涌现，应该如何进行差异化竞争？王巍：当前中国小动物活体成像仪器市场呈现出持续增长的趋势，随着国内初创企业的兴起，市场竞争也日益激烈。在面对这种情况下，差异化竞争是一种有效的策略。技术创新：通过不断进行技术创新，提供更加先进、创新的成像技术和仪器。例如，开发更高分辨率、更高灵敏度的成像设备，探索新的成像模式和应用领域，以满足用户的不同需求。产品特色：打造独特的产品特色和品牌形象，例如独特的设计风格、人性化的操作界面、多样化的附加功能等，以吸引用户的关注并增强产品竞争力。客户定制化：积极倾听客户需求，提供个性化的解决方案和服务。与客户密切合作，了解其实验需求并根据其特定需求进行定制开发，建立长期良好的合作关系。服务体验优化：注重客户体验，提供全方位的售前、售中和售后服务。包括产品培训、技术支持、设备维护等，以提升客户的满意度和忠诚度。仪器信息网：目前贵司主推的小动物活体成像产品有哪些？并谈谈该产品的核心竞争力。王巍：作为光声科技最核心的产品技术，光学/光声/超声三模态成像是集合了光学显微成像，⾊素、⾎管等内源性光吸收物质的光声成像，以及声阻抗差异的超声成像于⼀体的三模态活体⼩动物成像系统。光声科技更多核心技术优势如下：1、 实现微⽶级分辨率@毫⽶级成像深度在⽆需造影剂的情况下，仍然可以对3 mm内的组织结构进⾏微⽶级的⾼分辨率成像，并根据软件实时显⽰调整焦点的位置。2、强大的三维图像信息逐层解析功能通过实时⼆维断层数据的显⽰叠加，进⼀步获取局部组织的三维结构图像，使⽤数据处理软件，可进⼀步对⼆维以及三维图像进⾏分析。3、可实现⽆创⾮标记成像成像部位只需要涂抹少量⽔（耦合剂）对信号进⾏匹配，⽆需注射造影剂即可实现测试部位的⽆创成像。4、专属加热-麻醉⼀体化⼩动物固定台专⻔为更好的保护模型动物⽽设计的加热-⿇醉⼀体化装置。5、可定制光源的成像系统光声科技可根据不同需求，定制相应单波⻓，多波长，可调谐波⻓光源的成像系统。仪器信息网：光声科技小动物活体成像分析系统主要应用哪些领域的哪些实验环节？有哪些代表性用户单位？王巍：光声多模态小动物成像仪适用于广泛的生物医学研究领域，包括但不限于：1、肿瘤生长过程监控 应⽤光声多模态⼩动物成像仪，实现了小鼠耳部肿瘤滋养血管生长情况的监控，验证了肿瘤滋养血管的弯曲度、密度、深度与肿瘤生长时间的关系。 2、 肿瘤治疗过程监控应⽤光声多模态⼩动物成像仪，实现了小鼠部肿瘤光动⼒ (PDT)治疗过程中滋养⾎管消融情况的监控，揭示了肿瘤滋养⾎管的弯曲度、密度深度与PDT治疗时⻓的关系。3、⼩动物脑功能成像应用光声多模态⼩动物成像仪，实现了小鼠部深处血管“缺血-再灌注”的动态监控，展⽰了本仪器在脑血管理基础研究中的⼴阔应⽤前景。4、评估皮损血供程度应用光声多模态⼩动物成像仪，实现了小鼠全腿及背部⾎供程度的评估，突破了影像技术对于评估损伤组织⾎供程度的瓶颈，提高了快速手术干预的可能性。5、活体动物虹膜、巩膜成像应用光声多模态⼩动物成像仪，能够实现对活体⼩动物 (如小鼠) 及⼤动物(如兔)眼部虹膜及巩膜⾎管⽹成像。6、 特殊波⻓的肿瘤特异性光声成像 (定制版) 可定制光声多模态⼩动物成像仪，利⽤特异性纳⽶探针，针对性的提高肿瘤区域对于特殊波长光声成像信号幅值，实现大深度、⾼灵敏度的肿瘤特异性光声成像。此外，更多应用如乳房肿瘤标本⽆标记成像；早期⿊⾊素瘤肝微转移的⽆标记成像；动态监测缺⾎性脑卒中早期的结构和功能变化；对缝合损伤前后活体⼤⿏眼的多模态成像观测；活体动物视⽹膜、脉络膜、虹膜、巩膜成像；肝脏中细胞的标记成像...... 目前光声多模态小动物成像技术已协助北京科技大学、北京理工大学、浙江大学第一附属医院、海南大学、广东省人民医院、广州医科大学附属六院、香港理工大学、赣南医学院等十余家科研院所与医院完成了相应的科学研究。仪器信息网：请点评小动物活体成像技术路线的各自差异、特点和优势？王巍：不同的方法在成像原理和方法上有着独特的差异，每种技术路线都拥有其独特的优势和适用领域。非侵入性成像技术（如X光/CT、MRI）：- 特点：非侵入性成像技术通过引入无创成像方法，可以提供高分辨率的解剖结构图像。这些方法依赖于动物体内对X射线或磁场的响应来生成图像。- 优势：非侵入性成像技术对于观察和分析小动物器官和组织的解剖结构非常有帮助。它们能够提供三维图像，从而促进对生物学结构和病理变化的研究。荧光成像技术（如荧光分子成像、荧光蛋白成像）：- 特点：荧光成像技术通过标记生物分子或细胞，利用其自发发光或与特定荧光探针的相互作用，实现对生物活性和荧光信号的直接可视化。- 优势：荧光成像技术具有高灵敏度、实时成像和多模态成像的能力。这些技术在研究生物过程、疾病发展和药物疗效等方面非常有用。核素成像技术（如PET、SPECT）：- 特点：核素成像技术利用放射性同位素标记分子，并检测其放射性信号来获得图像。这些技术侧重于分析生物分子的生物分布和代谢过程。- 优势：核素成像技术具有高灵敏度、定量性和组织穿透能力。这些特点使它们在研究生物分子的动力学和代谢过程方面发挥重要作用。光声成像技术：- 特点：光声成像技术结合了超声波和光学相互作用，实现了显微镜级的分辨率和组织深度成像。该技术通过检测生物组织对激光脉冲的吸收来生成图像。- 优势：光声成像技术具有高对比度、高分辨率、无创和实时成像等优势。这些特点使其在研究血流动力学、肿瘤学和神经科学等领域有广泛应用。王巍认为，研究人员需根据其研究目标和需求选择适合的成像技术，同时多种技术的结合也可以提供更全面的图像信息，进一步加深对生物过程和疾病机制的理解。仪器信息网：未来小动物活体成像技术发展趋势如何？最看好哪些应用细分？王巍：未来小动物活体成像技术有望在以下方面取得进一步的发展：首先是多模态成像：未来的发展趋势之一是将不同的成像技术进行整合，实现多模态成像。多模态成像可以提供更丰富的信息，帮助研究人员深入研究生物过程和疾病机制。第二，基于机器学习的图像分析：随着机器学习和人工智能的快速发展，将其应用于小动物活体成像图像的分析将成为未来的重要方向。通过训练算法来自动分析和解释图像数据，有助于减少主观误差和提高研究效率。第三，高分辨率和实时成像：未来的成像技术将不断追求更高的分辨率和更快的成像速度。这将使研究人员能够观察动态生物过程和细微的结构变化。还有就是分子成像：分子成像是一种可以直接可视化和研究生物分子活动的技术。将分子成像与其他成像技术相结合，可以实现对生物分子的定量分析和动态跟踪，从而深入理解生物过程和疾病机制。在应用细分上，以下几个领域可能受益于小动物活体成像技术的发展：① 癌症研究：小动物活体成像技术在肿瘤生长、转移、治疗效果评估等方面具有重要应用。未来的发展将促进对肿瘤的早期检测、动态监测以及个体化治疗的研究。② 药物研发：活体成像技术可以在研发新药过程中发挥关键作用，帮助评估药物在动物体内的分布、代谢和药效，以及药物对疾病模型的治疗效果。③ 神经科学：小动物活体成像技术对于研究脑神经回路、神经变性和神经药理学等方面具有重要意义。未来的发展将推动对大脑功能和疾病机制的深入了解。④ 免疫学研究：小动物活体成像技术可以帮助研究人员观察和评估免疫细胞的活动和相互作用。这对于理解免疫系统的功能和疾病中的免疫反应具有重要意义。但需要注意的是，以上仅为一些可能受益于小动物活体成像技术发展的应用细分，具体的发展趋势和应用领域还需要进一步的研究和实践验证。仪器信息网：贵司小动物活体成像分析系统的发展历程是怎样的？有哪些里程碑事件？王巍：广东光声科技有限公司（下简称光声科技）成立于2022年，技术来源于华南师范大学激光生命科学教育部重点实验室，公司的研发团队有着十余年的光声成像设备研发经验，50%以上具有相关学科博士学位。光声科技专注于光声成像科研与医疗设备的科技成果转化与落地，现拥有单波长（532 nm）、双波长（532+1064 nm）、多波长（可调谐波长）光声成像活体动物科研系统的自主研发能力，并且还整合了光学显微镜及超声显微镜成像技术，形成了一套以光声成像为主的多模态活体成像体系，可为医学与基础科研领域中的肿瘤消融与药物代谢研究、脑科学研究、动物体浅表微循环研究、神经药理研究等一系列前沿领域提供精准、高端、全面的成像设备与成像服务。公司成立一年来，先后被评为“科技型中小企业”、获批佛山市南海区“蓝海人才计划”A类项目，进入佛山市科研仪器开放共享平台。光声科技自成立以来一直以创新和产品协同发展的理念经营，突破了多项技术难题，产品广受各大科研院所与医院的青睐：光声科技的发展里程碑：2022年3月，成立广东光声科技有限公司；2022年10月，首款双波长（532+1064nm）光声小动物成像系统正式面世；2022年12月，首款多模态（光学+光声+超声）光声小动物成像系统正式面世，与北京科技大学、北京理工大学、浙江大学第一附属医院等多家高校和医院参与论文研究，产品性能与售后服务，得到了用户和市场的广泛认可；2023年1月，首台光声多模态小动物成像系统中标；2023年5月，光声多模态皮肤影像系统样机落地，标志着光声科技正式步入精准皮肤临床研究领域；2023年7月，首款搭载散斑成像的光声多模态小动物成像仪中标，展示了光声科技扎实的科研能力与技术整合能力，为活体成像研究领域的仪器开发找到了新的思路。2023年8月至今，光声科技始终坚持多模态成像理念，开发了多款应用于皮肤疾病研究的成像系统。仪器信息网：请介绍一下光声科技的融资情况以及当前企业发展面临的问题和挑战。王巍：通过各级政府牵头举办的创新创业类赛事，公司已经积累非常多的潜在投资人的意向投资，投资人较为倾向类似于光声成像这类新兴的影像技术衍生出的影像设备。公司目前正在稳步跟进投资，预计半年后将实现1000万元的天使轮融资，这部分资金主要用于团队拓展、医疗器械证照及仪器迭代更新。仪器信息网：请谈一谈贵司未来3-5年的发展规划和布局。王巍：公司未来3-5年将稳步推进光声多模态活体小动物成像仪器的更新与迭代，注重成像速度与成像深度的指标优化。同时，公司未来五年内将推出国内首款应用于皮肤临床的光声多模态皮肤影像系统，将光声成像技术应用于皮肤疾病的诊断、治疗状态评估等方向。并且，公司还会发挥自身光学学科及声学学科优势，打造一些列衍生的应用于皮肤临床的光学、声学成像仪器，打造皮肤影像学新纪元。