小动物可见光活体成像技术在医学研究生技能教学中的应用

卢宏涛　刘苏　韩玲　沈慧

【摘要】小动物可见光活体成像技术是一项技术应用广、实用性强的生物医学研究手段，但由于实验设备要求高，相关仪器贵重，目前尚缺乏相关课程应用到研究生技能教学中。本课程利用国家级教学实验平台，系统性地针对医学研究生开展了小动物活体成像技术应用与操作这门课程，利用16个理论学时，14个实践学时全面系统地完成课程教育，最终达到研究生能够独立熟练地完成相关实验技能。

【关键词】小动物活体成像  技能培训  研究生教学

【基金项目】海军军医大学重点课程建设项目“小动物活体成像技术与应用”。

【中图分类号】G64  【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）07-0014-02

小动物可见光活体成像技术是采用生物发光与荧光两种方式，利用高灵敏度的光学检测仪器直接检测动物活体体内的细胞活动和基因行为，利用该技术可以检测活体动物体内肿瘤的生长和转移、炎症的发生、特定基因的表达和药物研究、细胞凋亡及流行病学等领域的研究。但由于小动物可见光活体成像设备稀缺贵重，在高校的研究生课程中一般不设立该课程的理论和技能教学。然而，随着生物医学研究的深入与发展，小动物可见光活体成像技术在科学研究中的应用越来越普遍，已成为一项常规的生物实验技术手段。所以本课程通过利用国家级教学实验中心的平台设备，开展技术应用广泛、实用性强的小动物可见光活体成像技术的研究生技能教学。

目前，高等院校利用自身已有平台开展具有实践价值，能够快速促进研究生投入科研工作的技能教学课程已成为一项重要的研究生培养教育改革内容。实验技能是医学研究生不可缺乏的基本技能，在研究生课程学习阶段推广深入技能实践培训有利于研究生快速进入科研状态。小动物可见光活体成像技术的技能教学应用到研究生培养中，对高校研究生教育培养有积极的推动作用。

一、材料与方法

1.仪器设备

Bio-Real公司的Quickview 3000小动物活体成像系统;ESCO公司的细胞培养箱;BIOBASE公司的生物安全柜。

2.实验试剂与材料

免疫缺陷裸鼠购于上海杰思捷实验动物有限公司;荧光素钾盐购于上海碧云天生物技术有限公司;肿瘤细胞株购于上海研酶生物科技有限公司;細胞培养基购于上海雁金生物科技有限公司。

3.实验步骤

步骤1：目标基因及荧光素酶基因或者荧光蛋白基因导入到实验需要的细胞内。可以将学生分成两组，一组学生使用荧光素酶标记的细胞株，另一组学生使用荧光蛋白标记的细胞株，让学生在后续实验中了解两种方法的特点和差异。

步骤2：筛选出稳定表达荧光素酶或者荧光蛋白的细胞。步骤1和步骤2根据课时要求可以让学生使用已经构建好的细胞株。将准备好的细胞株复苏，扩增，根据细胞数量将细胞以不同数量种于96孔板内，贴壁后利用小动物活体成像仪确定能够检测的细胞量阈值。

步骤3：细胞扩增到足够量之后，将细胞消化，使用培养基重悬后计数（可以让学生学习细胞计数的方法），按照每个部位107细胞量接种肿瘤细胞，荷瘤小鼠一般选用免疫缺陷的裸鼠，荷瘤部位一般选择躯干两侧接近腋下的部位，荷瘤时注意注射器穿刺的深浅，以形成表皮的皮丘为宜。

步骤4：肿瘤细胞接种一周后，基本可以肉眼观察到肿瘤的生长，可以定期使用Bio-real小动物成像仪观察荷瘤小鼠肿瘤的大小以及生长情况。

步骤5：准备好待测小动物、实验材料，并稀释萤光素钾盐溶液至工作浓度。

步骤6：打开小动物活体成像仪及电脑，打开软件，点击生物发光模式，在此期间CCD会降温至-80℃。在降温时，向麻醉泵中注入适量异氟烷，调节麻醉剂和氧气阀门，麻醉剂调至2刻度，氧气调至3刻度，打开控制麻醉剂的三通管阀门，使小动物麻醉箱中充入异氟烷。

步骤7：将适量萤光素钾盐注入（尾静脉/腹腔）到小鼠体内后，控制好时间，一般腹腔注射15min后，将小鼠放入到麻醉箱中，进行诱导麻醉。（如果是荧光蛋白无需此操作）

步骤8：小鼠麻醉后，打开通向成像系统的麻醉管阀门，打开麻醉盒取出小鼠，将小鼠放入到观察位置上，并将小鼠嘴部对准麻醉孔，同时将小鼠摆出适宜观察的姿势，关闭通向麻醉盒的阀门，关闭仪器封闭门。

步骤9：打开focus按钮，观察小鼠放置情况，调整视野的大小，打开平台控温板，保证小鼠在37℃条件下维持体温。打开生物发光，设置曝光时间（一般30～60s）、放大倍数（超过500则没有意义）。

步骤10：点击start，开始测定，也可选择连续曝光。

步骤11：在得到的图像上，可观察得到数据，进入软件分析系统，自动或手动计算发光强度。点击export，保存图像及数据到固定文件夹。

步骤12：关闭仪器前，点击cool off，使CCD升温到0℃以上方可关闭仪器及电脑。

二、实验原理

1.荧光成像原理

荧光物质的分子在受到能量的激发后，其核外电子从基态跃迁到激发态，而激发态的电子处于高能量状态，并不稳定，其可以通过释放光子的形式回到基态，在这个过程中发射出的光子称之为荧光。不同的物质的激发光和发射光的广谱有所不同，需要检测的设备具备相应的滤光片。荧光物质被激发后所发射的荧光信号的强度在一定范围内是与荧光素存在的量成线性关系的，这是荧光成像系统应用于生物学研究的理论基础。

2.生物发光的原理

将萤光素酶基因整合到细胞的基因组当中去，让细胞可以稳定表达萤光素酶，当外源性的给与细胞或者动物萤光素酶的底物时，同时在细胞中ATP的参与下，萤光素酶催化底物与ATP发生化学反应产生光子，称之为生物发光。发光的强度与标记的细胞数量呈线性关系，通过检测发错生物光的强度来评价细胞的数量水平。

3.生物发光和荧光成像的特点

生物发光和荧光成像有各自的优势和缺点，与荧光成像技术相比较，生物发光成像技术主要的优势有信号特异性强，不存在本底自发光的干扰;灵敏度高，可以检测102的细胞量;精准定量，单位细胞的发光数量稳定。而相对于生物发光成像技术，荧光成像技术的优势主要表现在应用范围广，荧光标记物种类繁多且可多重标记;信号强度大，激发光能量转移保证信号强度;低毒性成本，无需注射底物且成本低;商业可获得性，成熟的商品性荧光标记物选择多;样本要求低，基于能量转移而无需考虑生物是否存活。

三、实例说明：利用小动物活体成像技术评价药物抗肿瘤作用

1.荧光素酶标记肿瘤细胞的构建

将获得的Hela肿瘤细胞接种至24孔细胞培养板当中，接种细胞量为105/孔，24h后观察细胞状态，确定细胞生长正常后进行荧光素酶质粒的转染。转染试剂使用Lipofectamin 2000，具体操作步骤及试剂使用量参照说明书。将细胞分为空载体组和荧光素酶基因转染组，每组细胞设置3个复孔重复。转染后48h，观察细胞状态以及细胞的密度，细胞长满后按照1∶5的比例进行传达。转染质粒带有嘌呤霉素抗性基因，因此加入嘌呤霉素对未转染成功的细胞进行筛选，从而获得阳性细胞。扩张带荧光素酶基因的阳性Hela细胞，并按照倍比稀释的原理检测荧光素酶活性。

2.荷瘤小鼠模型构建

将扩增好的Hela肿瘤细胞，按照实验要求种于裸鼠的皮下或者其他脏器，细胞量在1×107左右，皮下荷瘤时注意荷瘤的深度，不易过深，以形成小皮丘为准。设立荷瘤組和药物治疗组（可让学生选择一种治疗药物），每组6只小鼠，小鼠在荷瘤一周后，让学生观察肉眼下肿瘤的生长情况，对比治疗组和荷瘤组肿瘤大小以及小鼠的一般状况。

3.荷瘤小鼠活体肿瘤检测

D-萤光素钾盐的水溶性和脂溶性都非常好，很容易穿透细胞膜和血脑屏障，在体内扩散速度快，可通过腹腔注射或尾静脉注射进入动物体内。腹腔注射或尾静脉注射时，按照10μl/g的体重浓度，向小鼠体内注射萤光素钾盐溶液，如20g的小鼠，注射200μl共3.0mg D-萤光素钾盐。小鼠腹腔注射荧光素酶底物D-萤光素钾盐后，利用异氟烷在小动物气体麻醉箱内麻醉，调整好适当的麻醉剂和氧气的流量。在此期间做好设备的开机与CCD预冷准备，调至生物发光模式，打开小动物恒温平台，调整好视野。注射入体内10～20min后，待萤光信号达到最强稳定平台期，再用适当仪器进行成像分析。待小鼠完全麻醉后将其移入检测箱内，小鼠口鼻对准麻醉气孔，关闭检测箱门，确定密封性，可使用连续曝光模式确定最佳曝光时间，初始可曝光30s，放大倍数100。

4.实验数据处理

完成曝光后，观察肿瘤部位的信号强度，调整信号的最大最小的阈值，以肿瘤细胞易于观察且具有区分度为宜，一般而言，肿瘤中心的肿瘤细胞最多光强度最大，周围呈现递减的趋势，但有时如果肿瘤生长过快，肿瘤中心细胞坏死，则会导致中间信号弱。小动物活体成像图像处理软件除了提供含有光子强度标尺的成像图片外，还能计算分析发光面积、总光子数、光子强度的相关参数供实验者参考。在分析界面中可选择自动选择或者手动选择信号图像范围。

四、实验影响因素

1.成像过程中的曝光时间，曝光时间过长则非特异性杂信号比较多;时间过短，信号太弱无法有效观察目前信号。为保证每只实验样本之间具有可比性，同一批实验需要保持曝光时间及放大倍数一致。

2.动物品系的选择也会对实验造成影响，普通小鼠因为带有皮毛，本身对于光子的穿透具有阻碍作用，因此一般选择裸鼠。另外，荧光模式下，小鼠的毛发会具有荧光特性，从而干扰实验的观察。

3.荧光成像时，需要选择背景低的材料放于动物身体下，可以选择放置黑色的纸板，从而减小背景的干扰。

4.荧光蛋白的特性会影响实验的效果，一般而言，波长越长，荧光的穿透力就越强，越容易透过小鼠皮毛被检测到;绿色荧光蛋白波长较短，不适宜小鼠的活体成像。

5.注射萤光素酶底物的方式与时间会影响生物发光的信号强弱，理论上尾静脉注射发光强度到达峰值的时间要短于腹腔注射，同时发光强度到到峰值之后会出现衰减的情况，因此，同一批实验在保障注射方式一致的情况下，还应控制注射后到检测的时间一致。

五、结论与分析

本研究生课程共计30个学时，其中理论学时16个，实践学时14个，课程对包括活体成像技术的发展、原理、特点与实例操作等进行了全面、具体、系统的教学。教学过程中涉及实验方法的选择、实验的设计、实验的技术、仪器设备的操作以及最后结果的呈现等各方面的环节，让研究生既能学到理论知识，又能掌握具体的操作，并获得更多的参与感。小动物活体成像技术应用与操作研究生课程的实施推动了医学类高校针对研究生技能培训的教学改革。

参考文献：

[1]Wang K， Xie S， Ren Y， et al. Establishment of a bio？鄄luminescent MDA-MB-231 cell line for human triple-negative breast cancer research[J].Oncology reports，2012，27（6）： 1981.

[2]Dubey S K， Tripathi AK，Upadhyay S N. Exploration of soil bacterial communities for their potential as bioresource[J].Bioresource Technology， 2006， 97（17）： 2217-2224.

[3]李小颖，高凯，董伟，等.荧光素酶标的人肝癌细胞裸鼠异种移植瘤模型的生物发光成像和PET-CT 成像比较[J].中国比较医学杂志，2011，21（3）：10-13.

[4]焦成松，朱德生.显微注射法建立含荧光素酶和HCV-C基因细胞模型[J].Juournal of the Fourth Military Medical University， 2000，21（7）：827-829.

[5]Qi Z， Xiao-bo X. Comparison of electroporation and lipofection efficiency in retinal Mllercells[J]. Int J Ophthalmol，2010，10（2）：247-249.

[6]陈道桢，薛文群，龚健，等.PEI-氧化铁磁性纳米颗粒作为基因载体的实验观察[J].第四军医大学学报，2008（1）：13-16.

作者简介：

卢宏涛（1990年10月-），男，助教，医学硕士，主要从事预防医学相关教学与科研工作。

沈慧（1977年1月-），男，教授，医学博士，主要从事预防医学相关教学与科研工作。