综述：生物医学研究中的光学成像：指南与实践见解

《Health Nanotechnology》：Optical imaging in biomedical research: guidelines and practical insights

本文全面综述了生物发光成像（BLI）和荧光成像（FLI）在生物医学研究中的应用。详细阐述了两种成像技术的原理、优势、局限，以及在肿瘤、感染性疾病等研究中的应用和面临的挑战，为相关研究提供了全面的参考。

　　

光学成像在生物医学研究中的重要地位

在生物医学研究领域，分子成像技术正蓬勃发展，它能够对生物体内的生物标志物和生物学过程进行观察、表征、监测和量化。其中，临床前成像作为关键一环，可在临床试验前对动物模型的生物过程进行可视化研究，对理解疾病机制、评估药物疗效及开发新治疗策略意义重大。光学成像技术，以生物发光成像（BLI）和荧光成像（FLI）为代表，凭借其高灵敏度、微创性和适合纵向研究等优势，在临床前研究中广泛应用。

光学成像技术解析

生物发光成像（BLI）

BLI 利用表达荧光素酶的基因工程细胞或生物体，在底物氧化时产生生物发光。其主要优势在于高灵敏度，能实时监测活体动物的生物过程，如追踪肿瘤生长、转移和基因表达模式，且背景信号低，信噪比高。不过，BLI 也存在一些局限，比如发光信号易被组织衰减，成像深度受限；信号定量受荧光素酶表达细胞分布和底物递送影响；空间分辨率相对较低。

BLI 的基本机制是荧光素酶催化荧光素氧化，在 ATP、镁离子（Mg2+）和氧气存在的条件下，生成光、氧化荧光素、CO2?和 AMP。ATP 为荧光素激活提供能量，是细胞活力和代谢活动的良好指标；氧气参与反应，可用于监测组织氧水平和缺氧状况；底物饱和则是产生最佳生物发光信号的关键，充足的荧光素能确保反应高效进行。

近年来，新型荧光素酶和底物不断涌现。例如，纳米荧光素酶（Nluc）体积小、亮度高，便于基因工程操作；高斯荧光素酶（Gluc）可自然分泌，利于监测全身过程；海肾荧光素酶（Rluc）常用于生物发光共振能量转移（BRET）测定；Akaluc 荧光素酶则更适合深部组织成像。同时，新的底物如 Furimazine、AkaLumine 等也提升了 BLI 的性能，增强了亮度、稳定性和组织穿透能力。

BLI 在生物医学研究中应用广泛。在肿瘤学领域，可实时追踪肿瘤进展和治疗效果；在感染性疾病研究中，能监测病原体传播和治疗反应；在基因表达和调控研究方面，通过将荧光素酶置于特定启动子控制下，可观察基因的时空表达；在药物研发中，有助于高通量筛选药物候选物。未来，BLI 将朝着开发更先进的荧光素酶、构建杂交成像系统、发展体内生物传感器以及完善治疗监测等方向发展。

但 BLI 也面临诸多问题。底物饱和水平影响信号量化，不同组织中荧光素酶表达和底物分布存在差异，且某些底物难以穿透血脑屏障。在真菌成像中，底物递送和穿透困难，生物膜形成也干扰信号读取。此外，底物与其他化合物的相互作用、宿主生理参数、细胞遗传转化等因素，都会影响 BLI 的准确性和可靠性。在数据处理方面，背景发光的处理也至关重要，采用背景除法而非减法进行信号归一化，能提高测量准确性。

荧光成像（FLI）

FLI 借助荧光蛋白或染料来可视化细胞和分子过程，具有高灵敏度、多重成像能力和细胞及亚细胞水平成像的优势，可应用于癌症、心血管疾病和神经科学等多领域研究。其原理是荧光分子在特定波长光激发下吸收光子，再发射出较长波长的光，被探测器捕获。

FLI 的灵敏度极高，能检测到极低浓度的荧光探针，空间分辨率一般在小鼠全身成像时约为 1 - 2 mm，但会随组织深度增加而降低。与 BLI 相比，FLI 的优势在于有多种荧光探针可供选择，可针对特定分子或细胞结构进行成像，还能实现多重成像。不过，FLI 也受组织自发荧光、光散射、成像深度限制、光毒性和光漂白等因素影响。

在应用方面，FLI 在癌症研究中可追踪肿瘤靶向探针分布、监测药物递送；在基因表达研究中，利用荧光蛋白可视化基因表达；在需要高时间分辨率的研究中，如监测钙信号、神经元活动和血流等动态过程，FLI 也表现出色。然而，FLI 会受到多种因素干扰，包括组织自发荧光、食物摄入、荧光探针的生物分布和清除、组织光学性质、血液和皮肤色素沉着等，这些因素会影响成像结果的准确性和清晰度。

为解决这些问题，研究人员不断探索。例如，开发新型荧光团，如近红外荧光蛋白（NIRFPs），其在近红外区域激发和发射，能减少组织自发荧光干扰，提高成像质量；优化成像技术，如采用光谱解混算法分离重叠的荧光信号，提高多重成像的准确性；改进成像设备，提高其性能和稳定性。

光学成像与其他技术的融合

光学成像与其他成像技术各有优劣。MRI 和 CT 能提供详细的解剖信息，但分子成像灵敏度低；超声成像实时性好，但分辨率和穿透深度有限；PET 和 SPECT 灵敏度高，但存在电离辐射风险。多模态成像将不同成像技术结合，可优势互补，为生物医学研究提供更全面的信息。例如，将 BLI 或 FLI 与 CT、MRI、PET 等技术结合，能同时获取功能和解剖信息，更好地理解生物过程。

光学成像技术的未来展望

随着技术的不断进步，光学成像技术前景广阔。在遗传工程方面，利用 CRISPR/Cas9 技术可精确插入荧光素酶基因，确保稳定表达。同时，开发更亮、更光稳定的荧光团，结合先进的成像技术如荧光寿命成像显微镜（FLIM）和 F?rster 共振能量转移（FRET），能提供更详细的细胞和分子动力学信息。借助机器学习和人工智能（AI）技术，可提高光学成像的定量准确性，处理复杂的成像数据，实现图像增强和生物结果预测。此外，实时成像和分析能力的发展，将为临床前研究带来更及时的反馈，推动生物医学研究的快速发展。在未来，光学成像技术有望在细胞外囊泡治疗效果评估、微小 RNA（miRNA）功能研究等新兴领域发挥重要作用，为生命科学和健康医学研究开辟新的道路。