在动物模型中，由于存在着荧光蛋白质及试样，光学成像比所有其他形态的成像更有着特定的优点。通过对荧光蛋白质及试样进行直观显示的方式，对特定生理过程中所涉及的可能分子进行分析，依照备选药物对某些蛋白质（与荧光团有关联）有关的疾病的影响，对备选药物进行相关的判断。下面是利用小动物光学分子成像系统进行研究的应用示例。

肿瘤生物学
　　 随着癌症的发生率与死亡率的不断攀升，肿瘤生物学正成为最为活跃的科学研究及临床研究的领域之一。通常，临床前肿瘤模型是在具有免疫缺陷的小鼠身体表面区域内异位注射人肿瘤细胞，对生物体内肿瘤的生长情况及肿瘤尺寸进行测量和标准化处理。

　　在癌症研究中小动物光学分子成像系统的有效性是非常有前途的（图2），并使得研究者能够对肿瘤生物学有更充分的理解。系统有能力对生物体内的同位及异位模型中的肿瘤确定位置并提取其特征。

图 2 非特异吸收荧光团的示例。将荧光团注射至身患肿瘤免疫机能受损的小鼠的尾静脉中。肿瘤区的脉管在尺寸上有增加，且内皮组织出现漏洞。因此，荧光团外渗至肿瘤内（白色圆圈），且随着时间的增加而增多。左图至右图在15分钟、30分钟、45分钟及60分钟处对一小时的灌注情况进行纪录。

　　小动物光学分子成像系统也可探测到荧光试样中精细的变化，给出诸如肿瘤受体的密度，分布与活动性等定量信息，并对治疗做出响应。

神经生物学
　　 近红外光具有很容易穿透骨骼的优点，使其成为进行大脑无创研究的有利手段。根据血流的变化，先前已将光学成像用作人们在进行思考及从事工作时的大脑功能区活动性进行观测的无创方法。现在，通过使用特异性标记物可对分子活动过程进行演示证明。

　　通过检测衰老的β-胶化纤维素斑块的方式进行Alzheimer’s病（AD）的诊断是进行早期治疗的先决条件。先前，已经利用钆

或单晶氧化铁毫微级微粒对β-胶化纤维素缩氨酸 做出放射性或磁性标记，以对患Alzheimer’s病的小鼠大脑内累积的胶化纤维素蛋白质进行检测。图3中，利用荧光标记的抗体对胶化纤维素斑块使用小动物光学分子成像系统进行了直观显示。

图3 对与抗体络合的荧光材料在小鼠的大脑孵育情况用Optix进行成像处理。图像表明穿过头颅所观察到的荧光。

　　通常，成像技术取决于造影剂在大脑内的输送情况，无论标记是放射性微粒（PET）、钆或单晶氧化物毫微级微粒（MRI）还是荧光体（光学）。如今，光学技术已可对大脑进行成像，创建穿越血脑屏障的新颖、安全的荧光分子的方法已经浮现。

动力学建模及毒性研究
　　复合毒性是在药物研发晚期阶段造成备选化合物失败的最常见的原因。尽可能在药物研发过程的早期阶段获取化合物毒性的信息是非常重要的。例如：通过检查生物体内肝脏响应的方式收集毒性方面有价值的信息资料。也可利用小动物光学分子成像系统来观测化合物的吸收与排泄情况。

　　受体结合的动力学建模：以光学方式标记的受体结合的试样具有很高的观测灵敏度，并具有测量靶组织中受体密度的能力。通过动力学建模的方式对靶受体浓度进行评估是小动物光学分子成像系统的一个应用方面[16]。如图4示。

图4 荧光标记的受体结合诊断试样的受体结合性质示图。将靶目标肝脏荧光团试样与非靶目标肝脏荧光团试样注射至小鼠体内并进行成像。