动物活体成像技术PPT课件.ppt
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1、关于动物活体成像技术关于动物活体成像技术第一张,PPT共三十六页,创作于2022年6月内内 容容动物活体成像技术的背景动物活体成像技术的背景动物活体成像技术的分类动物活体成像技术的分类几种动物活体成像技术的比较几种动物活体成像技术的比较动物活体光学成像技术的原理与系统构动物活体光学成像技术的原理与系统构 成成CRI公司动物活体荧光成像系统公司动物活体荧光成像系统CRI公司动物活体荧光成像系统的应用公司动物活体荧光成像系统的应用第二张,PPT共三十六页,创作于2022年6月动物活体成像的背景动物活体成像的背景1999年,美国哈佛大学年,美国哈佛大学Weissleder等人提出等人提出了分子影像学
2、(了分子影像学(molecular imaging)的概)的概念念应用影像学方法,对活体状态下的生物过应用影像学方法,对活体状态下的生物过程进行细胞和分子水平的定性和定量研究。程进行细胞和分子水平的定性和定量研究。传统成像大多依赖于肉眼可见的身体、生理和代谢过传统成像大多依赖于肉眼可见的身体、生理和代谢过程在疾病状态下的变化,而不是了解疾病的特异性分程在疾病状态下的变化,而不是了解疾病的特异性分子事件。分子成像则是利用特异性分子探针追踪靶目子事件。分子成像则是利用特异性分子探针追踪靶目标并成像。这种从非特异性成像到特异性成像的变化,标并成像。这种从非特异性成像到特异性成像的变化,为疾病生物学、
3、疾病早期检测、定性、评估和治疗带为疾病生物学、疾病早期检测、定性、评估和治疗带来了重大的影响。来了重大的影响。第三张,PPT共三十六页,创作于2022年6月动物活体成像的背景动物活体成像的背景分子成像技术使活体动物体内成像成为可能,它的出分子成像技术使活体动物体内成像成为可能,它的出现,归功于分子生物学和细胞生物学的发展、转基因现,归功于分子生物学和细胞生物学的发展、转基因动物模型的使用、新的成像药物的运用、高特异性的动物模型的使用、新的成像药物的运用、高特异性的探针、小动物成像设备的发展等诸多因素。目前,分探针、小动物成像设备的发展等诸多因素。目前,分子成像技术可用于子成像技术可用于研究观测
4、特异性细胞、基因和研究观测特异性细胞、基因和分子的表达或互作过程,同时检测多种分子事件,追分子的表达或互作过程,同时检测多种分子事件,追踪靶细胞,药物和基因治疗最优化,从分子和细胞水踪靶细胞,药物和基因治疗最优化,从分子和细胞水平对药物疗效进行成像,从分子病理水平评估疾病发平对药物疗效进行成像,从分子病理水平评估疾病发展过程,对同一个动物或病人进行时间、环境、发展展过程,对同一个动物或病人进行时间、环境、发展和治疗影响跟踪。和治疗影响跟踪。第四张,PPT共三十六页,创作于2022年6月动物活体成像的背景动物活体成像的背景活体生物体内检验是生物研究的最终验证活体生物体内检验是生物研究的最终验证
5、体外试验体外试验(In VitroIn Vitro)分子生物学技术分子生物学技术 克隆技术克隆技术 蛋白组学蛋白组学 等等等等 体内反应体内反应 (In VivoIn Vivo)研究方法受体内环境制约,研究方法受体内环境制约,很难准确反映体内情况很难准确反映体内情况 体外检验体外检验(Ex Vivo Ex Vivo)PCRPCR 电泳电泳 组织病理学组织病理学 肿瘤称量肿瘤称量 等等等等 活体生物体内成像活体生物体内成像(In Vivo Imaging Technology In Vivo Imaging Technology)第五张,PPT共三十六页,创作于2022年6月动物活体成像的背景动
6、物活体成像的背景分子成像的优点:分子成像的优点:分子成像和传统的体外成像或细胞培养相比有着显著优点。分子成像和传统的体外成像或细胞培养相比有着显著优点。分子成像能够反映细胞或基因表达的空间和时间分布,从而了解活分子成像能够反映细胞或基因表达的空间和时间分布,从而了解活体动物体内的相关生物学过程、特异性基因功能和相互作用。体动物体内的相关生物学过程、特异性基因功能和相互作用。分子成像由于可以对同一个研究个体进行长时间反复跟踪成像,既可以提高分子成像由于可以对同一个研究个体进行长时间反复跟踪成像,既可以提高数据的可比性,避免个体差异对试验结果的可影响,又不需要杀死模式动物,数据的可比性,避免个体差
7、异对试验结果的可影响,又不需要杀死模式动物,节省了大笔科研费用。节省了大笔科研费用。分子成像应用尤其在药物开发方面,更是具有划时代的意义。分子成像应用尤其在药物开发方面,更是具有划时代的意义。根据目前的统计结果,由于进入临床研究的药物中大部分因为安全问题根据目前的统计结果,由于进入临床研究的药物中大部分因为安全问题而终止,导致了在临床研究中大量的资金浪费,而分子成像技术的问世,而终止,导致了在临床研究中大量的资金浪费,而分子成像技术的问世,为解决这一难题提供了广阔的空间,将使药物在临床前研究中通过利用为解决这一难题提供了广阔的空间,将使药物在临床前研究中通过利用分子成像的方法,获得更详细的分子
8、或基因述水平的数据,这是用传统分子成像的方法,获得更详细的分子或基因述水平的数据,这是用传统的方法无法了解的领域,所以分子成像将对新药研究的模式带来革命性的方法无法了解的领域,所以分子成像将对新药研究的模式带来革命性变革。变革。其次,在转基因动物、动物基因打靶或制药研究过程中,分子成像能对其次,在转基因动物、动物基因打靶或制药研究过程中,分子成像能对动物的性状进行跟踪检测,对表型进行直接观测和(定量)分析。动物的性状进行跟踪检测,对表型进行直接观测和(定量)分析。第六张,PPT共三十六页,创作于2022年6月动物活体成像技术的分类动物活体成像技术的分类活体成像技术主要分为五大类:活体成像技术主
9、要分为五大类:光学成像(光学成像(Optical Imaging with visible light and Optical Imaging with visible light and FluorescenceFluorescence)荧光成像(荧光成像(FluorescenceFluorescence)生物发光成像(生物发光成像(BioluminescenceBioluminescence)核素成像核素成像Positron-Emission Tomography Positron-Emission Tomography 简称简称PETPET 正电子发射或衍射断层扫描正电子发射或衍射断层扫
10、描 Single-Photon-Emission Computed Tomography Single-Photon-Emission Computed Tomography 简称简称SPECTSPECT 单光子发射或者衍射单光子发射或者衍射磁共振成像磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging Magnetic Resonance Imaging,MRIMRI)包括功能性核磁共振(包括功能性核磁共振(Functional MRIFunctional MRI,fMRIfMRI),心血管核磁共振(心血管核磁共振(Cardio-Cardio-vascular MRI vascu
11、lar MRI,cMRIcMRI),等等),等等超声成像超声成像(UltrasoundUltrasound)CT成像成像第七张,PPT共三十六页,创作于2022年6月动物活体成像技术的分类动物活体成像技术的分类光学成像光学成像 活体动物体内光学成像活体动物体内光学成像(Optical in vivo Imaging)主要采用生物发光主要采用生物发光(bioluminescence)两种技术与荧光()两种技术与荧光(fluorescence)。生物发光是用荧光素酶生物发光是用荧光素酶(Luciferase)基因标记细胞或基因标记细胞或DNA,而荧光技术则采用荧光报告基团(而荧光技术则采用荧光报告
12、基团(GFP、RFP,Cyt及及dyes等)等)进行标记。进行标记。利用一套非常灵敏的光学检测仪器,让研究人员能够直接监控活利用一套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。通过这个系统,可以观测活体生物体内的细胞活动和基因行为。通过这个系统,可以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。传统的动物实验方法需要在不同的时间点的表达等生物学过程。传统的动物实验方法需要在不同的时间点宰杀实验动物以获得数据宰杀实验动物以获得数据,得到多个时间点的实验结果。相比之得到多
13、个时间点的实验结果。相比之下,可见光体内成像通过对同一组实验对象在不同时间点进行记下,可见光体内成像通过对同一组实验对象在不同时间点进行记录,跟踪同一观察目标(标记细胞及基因)的移动及变化,所得录,跟踪同一观察目标(标记细胞及基因)的移动及变化,所得的数据更加真实可信。另外的数据更加真实可信。另外,这一技术对肿瘤微小转移灶的检测这一技术对肿瘤微小转移灶的检测灵敏度极高,不涉及放射性物质和方法灵敏度极高,不涉及放射性物质和方法,非常安全。非常安全。因其操作极因其操作极其简单、所得结果直观、灵敏度高等特点其简单、所得结果直观、灵敏度高等特点,在刚刚发展起来的几在刚刚发展起来的几年时间内,已广泛应用
14、于生命科学、医学研究及药物开发等方面年时间内,已广泛应用于生命科学、医学研究及药物开发等方面。第八张,PPT共三十六页,创作于2022年6月动物活体成像技术的分类动物活体成像技术的分类核素成像核素成像核素成像技术用于发现易于为核素标记的既定靶核素成像技术用于发现易于为核素标记的既定靶目标底物的存在,或用于追踪小量标记基因药物目标底物的存在,或用于追踪小量标记基因药物和进行许多药物抵抗或病毒载体的传送。包括微和进行许多药物抵抗或病毒载体的传送。包括微PET、微、微SPECT。其中,微其中,微PET(正电子发射断层扫描仪(正电子发射断层扫描仪Positron Emission Tomography
15、)在目前的分子影像学研究)在目前的分子影像学研究中占据着极其重要的地位。最先开始的分子影像学研究中占据着极其重要的地位。最先开始的分子影像学研究就是用就是用PET完成的,如今,用微完成的,如今,用微PET进行的单纯胞疹病进行的单纯胞疹病毒胸苷激酶的分子影像学技术已应用于临床试验中。毒胸苷激酶的分子影像学技术已应用于临床试验中。第九张,PPT共三十六页,创作于2022年6月动物活体成像技术的分类动物活体成像技术的分类微微PET技术是将正电子同位素标记的化合物注入生物体内作为探技术是将正电子同位素标记的化合物注入生物体内作为探针,当这些化合物参与生物体内的代谢过程时,针,当这些化合物参与生物体内的
16、代谢过程时,PET按照同位素按照同位素放射性分布的绝对量进行连续性扫描,根据动力学原理和图像数放射性分布的绝对量进行连续性扫描,根据动力学原理和图像数据,对活体组织中的生理生化代谢过程作出定量分析,如血流量、据,对活体组织中的生理生化代谢过程作出定量分析,如血流量、能量代谢、蛋白质合成、脂肪酸代谢、神经递质合成速度、受体能量代谢、蛋白质合成、脂肪酸代谢、神经递质合成速度、受体密度及其与配体结合的选择性和动力学等。密度及其与配体结合的选择性和动力学等。PET 通常使用的探通常使用的探针是用针是用11C,14N,15O 及及18F 等生物组织中含量最多元素等生物组织中含量最多元素的放射性核素标记的
17、化合物,它们具有与体内分子类似(包括细的放射性核素标记的化合物,它们具有与体内分子类似(包括细胞代谢)的特点。胞代谢)的特点。在药理学研究中,则可以用正电子同位素直接标记药物,观察其在药理学研究中,则可以用正电子同位素直接标记药物,观察其在活体中的分布和代谢,或测量生理性刺激及病理学过程中药物在活体中的分布和代谢,或测量生理性刺激及病理学过程中药物分布与代谢的变化,从而对药物剂量、作用部位、可能发生的毒分布与代谢的变化,从而对药物剂量、作用部位、可能发生的毒副作用等做出前瞻性判断。还可以判断其代谢反应的类型及产物,副作用等做出前瞻性判断。还可以判断其代谢反应的类型及产物,观察药物与其他药物的相
18、互作用、药物与营养物质的相互作用、观察药物与其他药物的相互作用、药物与营养物质的相互作用、药物与受体的作用、药物与酶的相互作用等。药物与受体的作用、药物与酶的相互作用等。第十张,PPT共三十六页,创作于2022年6月动物活体成像技术的分类动物活体成像技术的分类磁共振成像磁共振成像磁共振(磁共振(MRI)分子影像学的优势在于它的高分辨率(已达到)分子影像学的优势在于它的高分辨率(已达到m级),级),同时可获得解剖及生理信息。这些正是核医学、光学成像的弱点。但是同时可获得解剖及生理信息。这些正是核医学、光学成像的弱点。但是MRI分子影像学也有其弱点,它的敏感性较低(微克分子水平),与核分子影像学也
19、有其弱点,它的敏感性较低(微克分子水平),与核医学成像技术的纳克分子水平相比,低几个数量级。医学成像技术的纳克分子水平相比,低几个数量级。传统的传统的MRI是以物理、生理特性作为成像对比的依据。分子水平的是以物理、生理特性作为成像对比的依据。分子水平的MRI成像是建立在上述传统成像技术基础上,以特殊分子作为成像成像是建立在上述传统成像技术基础上,以特殊分子作为成像依据,其根本宗旨是将非特异性物理成像转为特异性分子成像,因依据,其根本宗旨是将非特异性物理成像转为特异性分子成像,因而其评价疾病的指标更完善,更具特异性。而其评价疾病的指标更完善,更具特异性。MRI分子影像学成像,分子影像学成像,可在
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