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五种常见的小动物活体成像技术

01前言

动物活体成像技术是指应用影像学方法，在不损伤动物的前提下，对活
体状态下的生物过程进行组织、细胞和分子水平的定性和定量研究的技
术。随着小动物成像技术的发展，活体小动物非侵袭性成像在临床前研
究中发挥着越来越重要的作用，涌现出了各种小动物成像的专业设备，
为科学研究提供了强有力的工具。
小动物活体成像技术主要分为五大类：

可见光成像(Optical)、
核素成像(PET/SPECT)、
计算机断层摄影成像(CT)、
核磁共振成像(MRI)、
超声成像（Ultrasound)。

02小动物活体成像设备特点、应用及优缺点

1.可见光成像设备
体内可见光成像包括生物发光与荧光两种技术。前者是动物体内的自发
荧光，不需要激发光源，而后者则需要外界激发光源的激发。

1.1生物发光设备：生物发光是用荧光素酶基因标记DNA，利用其产生的蛋白
酶与相应底物发生生化反应产生生物体内的光信号。标记后的荧光素酶只有在活
细胞内才会产生发光现象，并且发光强度与标记细胞的数目呈线性相关。

1.2荧光设备：荧光技术则采用荧光报告基因（GFP、RFP）或荧光染料
（包括荧光量子点）等新型纳米标记材料进行标记，利用报告基因产生
的生物发光、荧光蛋白质或染料产生的荧光就可以形成体内的生物光源。
可见光成像优势与应用：使用低能量、无辐射、对信号检测灵敏度高、
实时监测标记的活体生物体内的细胞活动和基因行为，被广泛应用到监
控转基因的表达、基因治疗、感染的进展、肿瘤的生长和转移、器官移
植、毒理学、病毒感染和药学研究中。
可见光成像的主要缺点：二维平面成像、不能绝对定量。
发展前景：目前仅仅停留在仿体和小动物实验阶段,尚未进入临床应用，
在许多方面仍需进一步改进和完善.寻找新的高量子效率荧光团，改进重
建算法、拓展新型光学成像技术、提高图像分辨率是未来的重要任务。

2.核素成像设备

PET、SPECT是核医学的两种显像技术，相同之处是都利用放射性核素的
示踪原理进行显像，皆属于功能显像。临床专用的PET、SPECT由于分
辨率较低，无法满足小动物显像研究的要求。小动物专用的PET、SPECT
因应而生，具有显著的高分辨率特性。
除了一般的分子成像技术都具有的无创伤、同一批动物持续观察的优点

外。小动物PET、SPECT与其他分子显像方法相比还具有以下显著优势：
(1)具有标记的广泛性，有关生命活动的小分子、小分子药物、基因、配
体、抗体等都可以被标记；
(2)绝对定量；
(3)对于浅部组织和深部组织都具有很高的灵敏度；
(4)可获得断层及三维信息，实现较精确的定位；
(5)可以动态地获得秒数量级的动力学资料，能够对生理和药理过程进行
快速显像；
(6)相关应用研究可推广到人体。

2.1小动物PET设备
进行小动物PET显像，首先是利用医用回旋加速器发生的核反应，生产正电子
放射性核素，通过有机合成、无机反应或生化合成制备各种小动物PET正电子
显像剂或示踪物质。显像剂引入体内定位于靶器官，利用PET显像仪采集信息
显示不同断面图并给出定量生理参数。

用于新型显影剂开发的小鼠PET动态成像

小动物PET的主要优势：
(1)具备优异的特异性、敏感性和能定量示踪标记物；
(2)所使用的放射性核素多为动物生理活动需要的元素，因此不影响它的
生物学功能，放射性标记物进入动物体内后，由于其本身的特点，能够
聚集在特定的组织器官或参与组织细胞的代谢；

(3)半衰期超短，一般在十几分钟到几小时，适合于快速动态研究，如11C、
15O、3N，半衰期在20min以内。
挑战：空间分辨率和系统绝对灵敏度是影响PET图像质量的重要指标，但分辨
率和灵敏度却又是一对矛盾体，需要系统综合的设计考虑。
发展前景：基于其巨大的应用潜能，必将成为药物的寻找和开发、以动物模型
模拟人类疾病揭示疾病的生化过程研究活体动物、基因表达显像以及其他生物医
学领域的重要方法。

2.2小动物SPECT设备
相对于小动物PET系统，小动物SPECT系统使用长半衰期的放射性同位素，不
需要回旋加速器。常使用的放射性核素不是生理性元素，如：99mTc、111In、
123I和67Ga等，这些放射性核素的半衰期从6h到3天，通常较PET使用的放
射性核素半衰期长。
不足：单光子SPECT的灵敏度、分辨率、图像质量及定量准确性较PET差。
发展前景：随着技术的发展特别是新探测器的发展，可望将小动物SPECT敏感
度提高到小动物PET水平。随着放射线示踪剂种类增加及不依赖回旋加速器，
小动物SPECT有很大的应用前景，可用于监视生理功能、示踪代谢过程和定量
受体密度等。

3.小动物CT设备
CT属于解剖学成像。目前的小动物CT（微型CT