小動物分子影像儀器的培訓方法與平臺管理

潘曉霞, 屈澤華, 卜 娟, 黃紅香

(復旦大學 聚合物分子工程國家重點實驗室; 高分子科學系, 上海 200438)

0 引 言

轉化醫學一直致力于彌補基礎實驗研究與臨床和公共衛生應用之間的鴻溝[1]。分子影像則是轉化醫學中的重要手段。為了促使轉化醫學順利進行，基礎實驗研究快速向臨床轉化，小動物分子影像儀器的合理而高效使用則必然成為其中的關鍵環節之一。

1 分子影像技術及轉化醫學

分子影像(Molecular Imaging, MI)是運用影像學手段顯示組織水平、細胞和亞細胞水平的特定分子，反映活體狀態下分子水平變化，對其生物學行為在影像方面進行定性和定量研究的科學。分子影像技術由于具有其獨特技術特點，已成為基礎研究成果轉化到臨床醫學的橋梁和當今轉化醫學實現最關鍵載體[2-4]。

轉化醫學(Translational Medicine，TM)是美國國立衛生院(National Institutes of Health, NIH)在2003年提出的健康領域的新概念，并將其簡化定義為“從基礎研究的發現到改善患者的健康狀況的全過程”。轉化醫學研究的目的就在于加速將基礎研究的成果向臨床醫學轉化。

目前常用的小動物分子影像技術有光學成像技術、光聲和超聲成像技術、磁共振成像技術、高分辨率X線顯微計算機斷層成像技術(顯微CT)、單光子發射計算機斷層成像技術(SPECT)和正電子發射斷層成像技術(PET)等[5]。

2 儀器介紹

2.1 共享儀器平臺簡介

共享儀器平臺依托于復旦大學高分子科學系暨聚合物分子工程國家重點實驗室，創建于1998年。聚合物分子工程國家重點實驗室以“國家重大需求和學科前沿導向的基礎研究”為總體定位，“生物醫用高分子的設計”為實驗室設置的4個主要研究方向之一。為滿足科研需求，目前實驗室已購置3臺小動物分子影像類儀器。

共享儀器平臺目前擁有總價值超過6 000萬元的光譜、色譜、質譜、顯微觀測和物性等分析測試儀器以及高分子材料加工及性能測試設備，其中生物類儀器超過1 000萬元，生物類儀器已成為平臺極為重要的一類儀器。平臺所有儀器設備采取“集中管理、共享開放、有償使用”的管理模式，凡是重點實驗室的師生均可參加操作培訓，取得相應操作資格后即可自行網上預約使用儀器。一個良性有序、有據可依的管理環境是儀器開放共享的必備基礎[6]。共享儀器平臺技術人員在十幾年的工作中積累了豐富的管理經驗，為加強大型儀器的共享開放，陸續制定了系列規章制度，用以規范儀器預約、使用、故障處理、測試收費等環節，從而保障大型精密儀器的共享開放。

2.2 小動物分子影像儀器介紹

共享儀器平臺目前共有3臺小動物分子影像儀器。其中，小動物多角度光學活體成像系統(Optical and X-ray small animal imaging system)由Bruker公司生產，型號為In Vivo Xtreme。于2013年10月安裝并投入使用。儀器配置了多種成像模式，包括熒光成像、生物發光成像、X光成像、白光成像等。多模式小動物光聲/超聲成像系統(High resolution pre- clinical photoacoustic imaging system)由FujiFilm VisualSonics公司生產，型號為Vevo LAZR。于2016年10月安裝并投入使用。具備連續多光譜光聲掃描、血氧飽和度、超聲造影、三維測量等功能。小動物X射線計算機斷層成像系統 (High resolution in Vivo Micro-CT imaging system)由Bruker公司生產，型號為SkyScan 1176。于2014年2月安裝并投入使用。3臺小動物分子影像儀器自開放運行以來一直運行良好，沒有出現過大型事故，儀器的故障率也非常低，年均低于5%。

3 儀器的培訓

共享儀器平臺依托于復旦大學高分子科學系和聚合物分子工程國家重點實驗室，這也決定了生物類儀器的培訓同其他儀器的培訓有一定的共同性和不同性。共同性在于生物類儀器將遵從共享儀器平臺一貫的運行原則，即聚合物分子工程國家重點實驗室師生均可參加操作培訓，取得相應操作證后即可自行網上預約儀器上機測試[7-8]。不同的地方是，大部分培訓學員來自非生物專業方向，對上述儀器的接觸比較少，部分學員甚至是從未接觸過該類儀器，因此在整個培訓過程中需要特殊對待。

3.1 培訓的基本內容

由于共享儀器平臺共有3臺小動物分子影像儀器，但是3臺儀器的操作均較為復雜，不可能在同一期培訓中全部完成，每期培訓只能針對1臺儀器。但為了更好地讓培訓學員了解各儀器的性能和應用范圍，培訓教員將在其中1臺儀器的理論講解以及操作講解過程中穿插介紹其余2臺儀器的內容，以便于各學員可以更好了解各臺儀器的性能，從而更加高效設計和安排各自的科研計劃。3臺小動物分子影像儀器成像原理不同，成像優勢也各有不同，因此在培訓過程中，一定要將其逐一介紹清楚。

在介紹光學活體成像技術時，對其包含的各種成像技術需逐一介紹，比如講解生物發光，首先介紹生物發光的概念、原理，同時需要聯系生物發光與熒光成像的技術差別，以及2種技術的靈敏度級別，兩者在應用上的區別，各技術分別受哪些因素影響和制約等等進行全面講解。講解各種活體成像技術時，要著重注意結合應用技術的實例進行解釋、分析，使學生快速掌握活體成像的多樣化的標記手段，如何廣泛應用于各種藥物的標記、藥理藥效的分析和監測、靶向檢測，以及如何通過熒光與生物發光相結合來實現腫瘤生長，增值及調亡等的研究[9-10]。

對于光聲成像內容的講解，不僅要讓學生了解光聲成像的基本概念和原理知識，還要讓學生快速了解光聲成像是如何實現藥物動力學與生物分布的研究，血氧分布與濃度的研究，光動力治療和光熱材料治療的研究等[11-13]，使學生快速掌握光聲成像獨特的優勢，合理利用儀器完成科研任務。

對于CT成像儀器，在講授其基本操作方法時，不僅要教授學生其成像的方法與原理，還要教授學生如何利用圖片對生物體內的骨骼，脂肪，肌肉組織等進行成像和形態學分析，以及對于密度沒有差異的組織，如何借助造影劑進行造影和成像。舉例說明CT成像技術如何實現組織形態學、骨科/炎癥、呼吸道/肺部疾病，心血管疾病、脂肪代謝、生物和藥物材料/載體等領域的研究，以及CT的優勢與局限性等內容[5]。

通過上述的講解，基本可以讓參加培訓的學員了解到不同成像模態之間由于其原理不同在應用上并不能完全的互相代替，但可以互為補充，在今后的研究中合理選擇研究手段、儀器操作實驗中多加注意實驗方法。

3.2 培訓的方式方法

3臺小動物分子影像儀器均較為貴重，因此采用操作培訓、考核上機的方式方法進行培訓，進而有效提高儀器的使用水平和延長儀器的使用壽命[14]。儀器的培訓共包括下面5個部分：

(1) 培訓前考察。此過程主要考察學員對于小動物分子影像儀器的熟悉程度。但由于共享儀器平臺依附于高分子科學系，因此部分學員的生物醫學知識相對薄弱，且對小動物分子影像儀器較為陌生。經過初步的考察，則可以更好地了解每個參加培訓的學員的生物基礎程度，在儀器培訓期間可以更好地有針對性進行講解。

(2) 理論講解。理論講解內容包括儀器原理、構造、以及應用案例和參考文獻等，采用PPT的形式進行講解。

(3) 儀器操作。儀器操作可以拆分為3步走。① 儀器操作過程示范。包括演示儀器全部的操作步驟，以及儀器操作的安全注意事項和實驗室的安全注意事項講解，其中生物學實驗室的安全注意事項要在培訓過程中進行重點強調[15]。但基于培訓學員大多來自高分子科學系，對生物醫學的基礎知識比較薄弱，因此在培訓過程中需要加強部分生物醫學基礎知識的講解。例如，可以通過介紹外科手術中的無菌操作規范，迅速讓零基礎的學員領會無菌操作的意義和要領等。② 在培訓教員的指導下，培訓學員自行上機操作，一般2人/組，1.5 h/人。期間2個培訓學員可以相互討論共同完成儀器操作。③ 培訓學員進行單獨上機操作，一般1.5 h/人。經過前面的培訓內容，此時培訓學員基本可以獨立完成儀器的操作，培訓教員則可以根據每位學員的實驗樣品情況有針對性地講述一些參數的優化技巧等。

(4) 考核。考核內容分為理論知識考核和上機操作考核兩部分來進行。

(5) 實習。考核通過后總的實習期為1個月，要求培訓學員必須將實習安排在不同的3周內至少完成3次練習，以達到鞏固記憶的效果。

通過以上的培訓，學員培訓合格后則可獲得相應儀器的操作資格。

4 儀器管理

經過規范而嚴格的培訓后，學員們可以牢固掌握儀器的理論知識、儀器的操作技巧、儀器使用中的注意事項，以及實驗室的安全注意事項等等，這為儀器的日常管理和維護提供了強有力的技術支持和保障。此外，學員在培訓合格獲取操作資格后，每3個月仍必須有一次有效上機操作儀器的記錄，否則將被吊銷操作資格。這樣可避免培訓學員由于操作儀器生疏、操作不當而損壞儀器。進而，則可實現各臺小動物分子影像儀器在重點實驗室內的安全而高效的共享使用。

此外，為促進大型科學儀器設施的共享，提高其利用率，增強科技創新能力，小動物分子影像儀器同共享儀器平臺上其他儀器一樣加入了上海市及國家大型儀器共享服務網，面向社會開放，也可由非關聯單位、個人用于科學研究和技術開發。目前，3臺儀器均開放至少15%的時間面向社會提供分析測試研究和檢測等技術服務。如此，在為社會提供服務的同時，儀器管理人員也可以接觸到更多種類的試驗樣品，豐富并積累教學經驗，達到事半功倍的效果。

5 結 語

規范而高效的儀器培訓可以為儀器的合理而高效的使用提供強有力的支持和保障，規范的儀器管理則可保障儀器的高效運轉和低故障率。二者的有力結合將成為小動物分子影像儀器的有效使用，乃至基礎實驗研究快速向臨床轉化的基本保障。