隨著科學技術(shù)的發(fā)展，分子成像技術(shù)已經(jīng)與包括遺傳工程模式動物在內(nèi)的動物研究策略有效地結(jié)合在一起。這項技術(shù)可以實現(xiàn)無損傷的在動物體內(nèi)評價代表治療效果的分子和細胞事件，因此可以利用同一組動物進行長時間的研究，從而大大減少了實驗動物的使用數(shù)量。更為有力的是，由于一系列的數(shù)據(jù)來源于同一只或同一組動物，以自身作為內(nèi)對照，大大增加了數(shù)據(jù)的可靠性。
通過活體動物體內(nèi)成像系統(tǒng)，可觀測到疾病或癌癥的發(fā)展進程以及藥物治療所產(chǎn)生的反應(yīng)，并可用于病毒學研究、構(gòu)建轉(zhuǎn)基因動物模型、siRNA研究、干細胞研究、蛋白質(zhì)相互作用研究以及細胞體外檢測等領(lǐng)域。
1 癌癥與抗癌藥物研究
直接快速地觀察各種癌癥模型中腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移，并可對癌癥治療中癌細胞的變化進行實時觀測和評估?；铙w生物發(fā)光成像能夠無創(chuàng)傷地定量檢測小鼠整體的原位瘤、轉(zhuǎn)移瘤及自發(fā)瘤。精諾真生物成像技術(shù)提高了檢測的靈敏度，即使微小的轉(zhuǎn)移灶也能被檢測到(可以檢測到體內(nèi)100個細胞的微轉(zhuǎn)移)。目前已商品化的腫瘤細胞株包括:前列腺癌，黑色素瘤，乳腺癌，肺癌，子宮頸癌和結(jié)腸癌等BiowareTM細胞系模型。Rehemtulla等人采用攜帶前體藥物轉(zhuǎn)化酶和酵母胞咯吮脫氨酶基因的腺病毒載體，運用活體成像技術(shù)與磁共振成像技術(shù)(magnetic resonance imaging, MRI)研究了其作為轉(zhuǎn)基因治療藥物在癌癥治療中的效果。
2 免疫學與干細胞研究
將熒光素酶標記的造血干細胞移植人脾及骨髓，可用于實時觀測動物活體體內(nèi)干細胞造血過程的早期事件及動力學變化。有研究表明，應(yīng)用帶有生物發(fā)光標記基因的小鼠淋巴細胞，檢測放射及化學藥物治療的效果，尋找在腫瘤骨髓轉(zhuǎn)移及抗腫瘤免疫治療中復(fù)雜的細胞機制。應(yīng)用可見光活體成像原理標記細胞，建立動物模型，可有效地針對同一組動物進行連續(xù)的觀察，節(jié)約動物樣品數(shù)，同時能更快捷地得到免疫系統(tǒng)中病原體的轉(zhuǎn)移途徑及抗性蛋白表達的改變。
近年來，不少報道介紹了應(yīng)用活體成像技術(shù)研究免疫細胞遷移的實例。其一是利用人多發(fā)性硬化癥的小鼠模型觀察實驗性自免疫腦脊髓炎中自身抗原反應(yīng)性CD4+T細胞的遷移模式。包含熒光素酶和GFP基因的逆轉(zhuǎn)錄病毒載體處理特定的CD4+T細胞。首先用流式細胞儀分選GFP發(fā)光的細胞，然后分別注人對照及實驗組動物體內(nèi)。熒光素酶在活體的發(fā)光情況表明標記的CD4+T細胞遷移至中樞神經(jīng)系統(tǒng)，而GFP可以進一步用于這些細胞的組織學定位。雙功能報告基因的應(yīng)用極大地方便了特定免疫細胞的篩選及遷移研究。
3 細胞凋亡
在正常生理條件下，細胞增殖和凋亡是嚴格協(xié)調(diào)的，這種平衡一旦打破，就會導(dǎo)致一系列的疾病，包括AIDS、神經(jīng)退行性疾病、脊髓炎綜合癥、缺血/再灌注損傷及腫瘤等等。當熒光素酶與抑制多肽以融合蛋白形式在哺乳動物細胞中表達，產(chǎn)生的融合蛋白無熒光素酶活性，細胞不能發(fā)光，而當細胞發(fā)生凋亡時，活化的caspase-3在特異識別位點切割去掉抑制蛋白，恢復(fù)熒光素酶活性，產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，由此可用于觀察活體動物體內(nèi)的細胞凋亡相關(guān)事件。
4標記病毒
病毒侵染
以熒光素酶基因標記的HSV-1病毒為例，可觀察到HSV-1病毒對肝臟、肺、脾及淋巴結(jié)的侵和病毒從血液系統(tǒng)進人神經(jīng)系統(tǒng)的過程。多種病毒已被熒光素酶標記，用于觀察病毒對機體的侵染過程。
基因治療
基因治療包括在體內(nèi)將一個或多個感興趣的基因及其產(chǎn)物安全而有效地傳遞到靶細胞。目前，基因治療主要是以病毒做載體，可應(yīng)用熒光素酶基因作為報告基因用于載體的構(gòu)建，觀察目的基因是否能夠在實驗動物體內(nèi)持續(xù)高效和組織特異性表達。這種非侵人方式具有容易準備、低毒性及免疫反應(yīng)輕微等優(yōu)點。熒光素酶基因也可以插入脂質(zhì)體包裹的DNA分子中，用來觀察脂質(zhì)體為載體的DNA運輸和基因治療情況。
5標記細菌
利用細菌熒光素酶基因可以分別標記革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌。常用的幾十種細菌都已被標記，用來進行細菌侵染和抗生素藥物的研究。
細菌侵染研究：可以用標記好的革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌侵染活體動物，觀測其在動物體內(nèi)的繁殖部位、數(shù)量變化及對外界因素的反應(yīng)。
抗生素藥物研究：利用標記好的細菌在動物體內(nèi)對藥物的反應(yīng)，醫(yī)藥公司和研究機構(gòu)可用這種成像技術(shù)進行藥物篩選和臨床前動物實驗研究。近年來，上大型制藥公司紛紛將精諾真技術(shù)在動物體內(nèi)的實驗結(jié)果作為FDA(美國食品和藥品檢驗局)藥物申報材料中非常重要的臨床前動物實驗部分。
6 基因表達和蛋白質(zhì)相互作用
組織特異性基因表達
熒光素酶是一類生物發(fā)光酶，其中的Renilla熒光素酶和Firefly熒光素醉分別識別不同的底物。一種細胞可被這兩種熒光素酶標記：Renilla熒光素酶基因由一組成性穩(wěn)定表達的啟動子驅(qū)動，作為內(nèi)參，反應(yīng)細胞數(shù)量的變化；Firefly熒光素酶基因由需要研究的組織特異性啟動子驅(qū)動。這樣Firefly熒光素酶發(fā)光信號的變化，在消除細胞數(shù)量變化的影響后就可反應(yīng)特定的啟動子在動物體內(nèi)的表達活性。
蛋白質(zhì)相互作用
觀察細胞中或活體動物體內(nèi)兩種蛋白質(zhì)的相互作用，是將熒光素酶基因分成兩段，分別連接所研究的兩種蛋白之一的編碼DNA，然后導(dǎo)入細胞或動物體內(nèi)表達為融合蛋白。當兩種蛋白有強相互作用時，表達的熒光素酶兩部分相互靠近形成有活性的熒光素酶，在有底物存在時出現(xiàn)生物發(fā)光，反映出所研究的兩種蛋白存在相互作用。應(yīng)用此原理亦可用于研究細胞信號傳導(dǎo)途徑。
阻斷RNA
通過對比生物發(fā)光的變化，驗證在成年小鼠體內(nèi)，注射雙鏈siRNA可以特異地阻遏基因表達。
7 轉(zhuǎn)基因動物模型
為研究目的基因是在何時、何種刺激下表達，將熒光素酶基因插人目的基因啟動子的下游，并穩(wěn)定整合于實驗動物染色體中，建立轉(zhuǎn)基因動物模型。利用其表達產(chǎn)生的熒光素酶與底物作用產(chǎn)生生物發(fā)光，反應(yīng)目的基因的表達情況，從而實現(xiàn)對目的基因的研究。發(fā)育生物學方面可用于研究動物發(fā)育過程中特定基因的時空表達情況，藥理學研究方面可觀察藥物誘導(dǎo)特定基因表達，以及其它生物學事件引起的相應(yīng)基因表達或關(guān)閉。如圖3所示。
研究者根據(jù)研究目的，將靶基因、靶細胞、病毒及細菌進行熒光素酶標記，同時轉(zhuǎn)人動物體內(nèi)形成所需的疾病模型，包括腫瘤、免疫系統(tǒng)疾病、感染疾病等等?？商峁┌谢蛟隗w內(nèi)的實時表達和對候選藥物的準確反應(yīng)，還可用來評估候選藥物和其它化合物的毒性，為藥物在疾病中的作用機制及效用提供方法。
8 藥效評價
對于一些需化學方法進行標記的物質(zhì)，比如化學合成藥物、納米藥物及一些肽段等，只能通過化學合成的方法與熒光染料進行偶連，檢測熒光的發(fā)光情況，從而實現(xiàn)活體示蹤的目的。目前應(yīng)用較多的是對于一些腫瘤靶向藥物在活體內(nèi)靶點的識別、研究蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用以及跟蹤化學藥物在體內(nèi)的分布及代謝情況等。例如用CY5.5及CY7標記RGD肽段，研究其在尾靜脈注射不同時間里對移植膠質(zhì)瘤中細胞粘附分子Intergrin的特異性識別過程。在腫瘤藥物相關(guān)研究中，用CY5.5標記兩種脫氧核糖類似物CY5.5-2DG及CY5.5-NHS均可在小鼠活體水平上直接觀測到其對腫瘤的特異性識別作用。
9 監(jiān)測器guan移植
生物發(fā)光成像在qi官移植的監(jiān)測方面得到很好的應(yīng)用。其一是監(jiān)測與器官植密切相關(guān)的基因表達情況，如肝移植中的血紅素加氧酶；其二是利用熒光素酶的標記和示蹤功能來揭示移植反應(yīng)中移植物的動態(tài)表現(xiàn)包括排斥和存活情況等。Chen 等將熒光素酶轉(zhuǎn)基因鼠( FVB/NJ- luc)的胰腺移植至野生FVB/NJ 或異源BALB/c 鏈唑霉素誘導(dǎo)糖尿病鼠體內(nèi)，利用生物發(fā)光系統(tǒng)得到的發(fā)光信號來指示體內(nèi)移植物存活情況，并與體內(nèi)血糖水平及移植位點組織學結(jié)果進行相關(guān)性分析，可以得到有價值的信息。
圖1 不同熒光染料的激發(fā)光譜曲線
圖2A 麻醉裸鼠四種染料試制的分布/ 圖2B 四種染料試制混合注射到裸鼠體內(nèi)觀測試制分布
圖3 注射500 pmol Cy7、Cy7-c(RGDyK)、Cy7-E[c(RGDyK)]2、 or Cy7-E2的皮下U87MG腫瘤小鼠在2min、30min、1h、2h、4h、24h時間內(nèi)的全身NIR熒光成像
圖4（A）注射Cy7-RGD 500pmol的U87MG腫瘤小鼠體內(nèi)NIR熒光成像，實驗組和對照組均注射200μg/小鼠c(RGDyK)，箭頭代表腫瘤的位置
（B）在2小時后無創(chuàng)成像后解剖的U87MG腫瘤和主要器官和組織的代表性熒光圖像。從左到右：U87MG腫瘤，肌肉，肝臟，腎臟和腸
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