新時期高校小動物活體光學成像系統的使用及管理

摘" 要：當今生命科學與醫學的飛速發展很大程度得益于模式動物可以模擬人體的生理和病理特征。小動物活體光學成像系統作為生物醫學和生藥學領域的重要研究手段，利用靈敏的光學檢測技術，能夠對生物體內的細胞/基因行為進行實時、無創監測，對疾病的發生發展、臨床診療及藥物研發具有重要指導價值。“十四五”規劃伊始，基礎科學研究面臨新需求，挑戰與機遇并存。以南京大學醫藥生物技術全國重點實驗室配備的小動物活體光學成像系統為例，結合社會發展新形勢和疫情防控常態化的現狀，首次從儀器使用和儀器管理兩方面進行綜合性闡述，以期對高校儀器平臺中該類儀器的高效利用和規范管理提供新思路。

關鍵詞：新形勢；高校；小動物活體光學成像；高效利用；規范管理

中圖分類號：G647" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2023）13-0068-04

Abstract： Nowadays， the rapid development of life science and medicine is largely benefit from the fact that experimental animal models can simulate the physiological and pathological features of human body. As an important research instrument， in vivo optical imaging system for small animalsplays a prominent role in the field of biomedicine and pharmacognosy. Via using sensitive optical detection technology， relevant cell/gene behaviors in living organisms can be monitored in real-time and non-invasively， which possesses conducive significance for the occurrence and development of diseases， clinical therapy and drug discovery. At the primary stage of \"The Fourteenth Five-Year Plan\"， fundamental scientific research is facing new requirements with both opportunities and challenges. Herein， taking the in vivo optical imaging system equipped in the State Key Laboratory of Pharmaceutical Biotechnology as an example， a comprehensive exposition has been made from both the utilization and management of the instrument for the first time. Under the current situation， the study hopes to provide new insights for the effective utilization and standardized management of the above instruments in many other colleges and universities.

Keywords： new era; colleges and universities; in vivo optical imaging system; efficient utilization; standardized management

近年來，隨著生命科學和生物醫藥研究等領域的蓬勃發展，模型動物實驗受到科研人員愈發密切的關注。因此，以光學成像、核磁共振成像和計算機斷層掃描成像為代表的小動物活體成像（In Vivo Imaging System， IVIS）技術應運而生[1-2]。該技術能夠利用影像學的方法對活體、組織、細胞乃至分子水平的生物過程進行定性和定量研究。其中，基于光學成像原理的活體光學成像在腫瘤學基礎研究和藥物篩選中廣泛使用，可以從整體水平上評估腫瘤的發展和藥物的作用過程[3]。例如，在腫瘤研究方面可以長時間監測腫瘤生長及轉移、抗腫瘤藥物研發及癌癥機理研究；在藥物研究方面主要包括在活體動物水平進行藥效評價，觀測藥物在活體動物體內的靶向、分布及代謝。

隨著“十四五”規劃的開啟和新《中華人民共和國科學技術進步法》的實施，對高校儀器平臺的運行機制和技術人員的管理水平都提出了新要求[4-5]。小動物活體光學成像作為疾病動物模型研究的主流研究技術，是從分子、細胞及整體水平上研究疾病發病機理和病理生理過程的重要輔助工具，成為生命科學領域高頻使用的實驗儀器之一。本室配備IVIS Lumina XR和IVIS Spectrum兩套活體光學成像系統，既能滿足基本光學成像，又各具特色性功能，以下將從儀器使用和管理規范兩方面分別進行介紹。

一" 儀器介紹

（一）" 基本原理

小動物活體成像主要包括生物發光和熒光發光兩種成像技術，采用高靈敏度制冷（-90 ℃）電荷耦合元件（Charge-Coupled Device，CCD）成像系統，研究模型動物體內相關基因的表達、腫瘤的生長/轉移、疾病的發生和發展等生理過程[6-7]。

實驗室研究中，一般選用熒光素酶基因標記細胞或DNA實現生物發光。通過腹腔或靜脈注射熒光素底物，該底物能在熒光素酶的催化下消耗腺苷三磷酸（ATP），并與氧氣發生反應產生激發態的氧化熒光素，氧化熒光素從激發態回到基態時釋放光子從而發光，是化學能轉化為光能的過程。熒光成像主要采用熒光報告基團標記細胞或DNA，當熒光物質受到合適波長的光激發后，電子被激發到高能級，隨后向低能級躍遷的過程中產生比激發光波長更長的熒光，是物理過程。目前，常用的活體熒光標記物有熒光蛋白、熒光染料和量子點等。

相較于生物發光成像，熒光成像前無需注射熒光素酶底物，實驗成本低，過程簡單；信號強度高，持續時間久，對CCD的靈敏度要求相對低；標記能力更強，可對樣本進行多色標記，同時獲得多種細胞或藥物的分布；生物發光只能在活細胞內發光，而熒光蛋白或熒光染料則可以實現對活體或離體組織器官的監測。

盡管熒光信號遠高于生物發光，但由非特異性熒光產生的背景噪音大大降低了其信噪比。相比之下，生物發光成像以熒光素酶作為活體信號報告源，無需外源性激發光，有效提高了信噪比和靈敏度，避免了對正常細胞的損傷，便于長期對生物體進行觀察。此外，生物發光具有背景信號低、穿透力強的特點，更適用于對較深組織的研究。

（二）" 功能介紹

IVIS Lumina XR是一種二維多模式活體成像系統，具備生物發光、多光譜熒光和X光活體成像功能。依托多達26個濾光片的配置，使用者可對從綠光到近紅外的幾十種熒光探針進行成像。IVIS Spectrum除具備生物發光成像、多光譜熒光和光譜分離成像功能外，還能實現生物發光和熒光三維成像功能，能夠和其他模式的三維影像系統（如磁共振成像MRI、電子計算機斷層掃描CT等）聯用，同時實現功能性成像與結構性成像。

近年來，借助IVIS的上述卓越性能，科研人員開展了一系列的實驗工作。例如，隨著SARS-CoV-2的傳播，出現了毒性和傳播性更強的變異株Alpha、Beta和Gamma。為研究已感染個體是否會再次感染、變異株是否會對現有疫苗產生免疫逃逸，研究者構建了相應的動物模型，輔以IVIS檢測技術，對感染和免疫逃逸機制進行了探究[8]。2022年3月，復旦大學報道了一種抗新冠病毒的廣譜雙特異性全人源納米抗體，對藥物進行熒光標記，分析了小動物活體內藥物的分布與靶向情況[9]。

二" 儀器使用

（一）" 基本參數

Living Image軟件是小動物活體圖像獲取的重要途徑，通過該軟件進入控制面板（圖1）界面，包括成像方式、曝光時間和視野范圍等參數，相關設置會直接影響圖像質量。

1" 成像方式（Imaging Mode）

成像方式主要包括生物發光（Luminescent）和熒光（Fluorescent），可根據實驗需求進行選擇。進行生物發光成像時，保持發射濾光片（Emission Filter）處于Open狀態即可；當進行熒光成像時，要選擇與熒光標記物相匹配的激發濾光片（Excitation Filter）和發射濾光片（Emission Filter）方可獲取熒光信號。

2" 曝光時間（Exposure Time）

曝光時間決定了信號強度，曝光時間越長，信號強度越高，可根據實驗需求進行設置。對初次實驗或不確定曝光時間的情況，可選擇Auto，儀器會自動匹配合適的曝光時間進行成像。如遇信號較弱成像不佳，可適當增加曝光時間以提高信號強度。

3" 視野范圍（Field of View）

可用于調節觀察視野的大小，共有A/B/C/D四個選項，從A到D視野范圍依次變大，實驗時可根據單次觀察樣品（染料、細胞和小鼠等）的大小和個數選擇合適的視野范圍。

此外，控制面板上的Binning值代表像素值，光圈大小（F/stop）決定了光的透過量，成像聚焦（Focus）包含自動聚焦和手動聚焦功能。

（二）" 實驗動物前處理

1" 模型動物構建

該過程主要是根據實驗需求，將已標記的細胞或組織通過尾靜脈注射、皮下移植和原位移植等方法進行接種，隨后在合適的成像模式下完成圖像的采集。為減少非特異性信號的干擾，在進行活體成像前，建議將實驗動物進行完全脫毛或對檢測部位進行局部脫毛；如熒光信號較弱，可嘗試用黑紙板將產生干擾信號的部位遮住后拍攝；檢測腫瘤轉移等較弱的生物發光信號時，需要把較強的原位腫瘤信號遮住，以便獲取更佳的動態信號。

2" 麻醉劑選擇

合理的麻醉是動物實驗順利進行的先決條件，基于動物倫理和動物福利要求，合理選擇麻醉劑十分必要[10]。實驗動物常用的麻醉劑主要包括注射用麻醉劑和吸入性麻醉劑。注射用麻醉劑指的是經靜脈、皮下和肌肉等途徑注射能夠產生麻醉作用的藥物，其優點是不依賴昂貴的設備，麻醉過程平穩，一次給藥可維持較長時間。但該類麻醉劑須經肝臟代謝后動物方能蘇醒，且麻醉程度不易控制。吸入性麻醉劑是一類揮發性液體或氣體，經過肺泡動脈進入血液，隨血液循環透過血腦屏障，從而阻斷神經傳遞功能。與注射式麻醉相比，動物的麻醉速度和恢復速度更佳，麻醉深度可控，更具安全性。因此，在動物實驗開始前，應預先了解各種麻醉劑的作用機制和毒副作用，科學地選擇麻醉劑。

（三）" 實驗拍攝步驟

打開Living Image軟件，點擊initialize儀器開始初始化，待CCD和樣品臺溫度滿足實驗需求后，設置相關實驗參數，點擊Acquire獲取圖片。

1" 生物發光及熒光二維成像

對于生物發光成像，同時勾選Luminescent、Photograph及overlay選項，設置曝光時間、像素值、光圈大小及視野范圍等參數，Emission Filter選項設置為open，設定完畢后點擊Acquire按鈕即可開始成像。熒光成像與生物發光成像類似，拍照模式選擇Fluorescent，在Emission Filter下拉菜單中選擇對應的激發和發射濾光片組。對于需要扣除背景的成像，需應用到熒光光譜分離（Spectral Unmixing）技術，達成背景熒光信號與熒光探針信號的分離。

2" 生物發光及熒光三維成像

生物發光及熒光三維成像均是基于不同波長光的光譜特性進行的，操作時需進行多個波長的多圖成像。無論是生物發光還是熒光，在對獲取的光信號進行三維重構之前，均需對小鼠體表進行表面拓撲成像，隨后才能完成信號的三維重構，得到三維重構結果。

三" 儀器管理

基礎研究是創新之源，也是科學技術進步的關鍵[11]。高校大型實驗儀器作為科學研究的重要硬件資源，在人才培養、科技創新和項目攻關中發揮支撐性作用[12]。為保障高校科研攻關能力，加快構建從基礎研究到科學驗證再到應用轉化的創新鏈，不斷完善儀器管理機制，充分發揮儀器使用價值至關重要[13-16]。

（一）" 重視安全，善用制度

“制度千萬條，安全第一條”。管理過程中要重視儀器日常檢查與安全維護，做到物賬一致、標簽規范、維修和使用記錄清晰；定期在學年初開展針對性培訓講座，日常使用由技術員根據使用需求進行“一對一培訓”，對初次使用儀器者全方位培訓；對已熟練操作人員抽查實驗細節是否到位；對半熟練操作人員反復培訓，直至完全掌握。

依托有效的信息化管理系統，實現“自助式”服務和“一體化”管理。用戶登錄儀器平臺后，可自助查詢儀器設備的功能參數、收費標準和測試項目詳情等具體信息。根據IVIS測試樣品設置不同測試選項，如耗材提供測試、默認測試項目和數據分析等，方便預約人自主選擇。通過網絡管理系統進行儀器預約、預約審核、費用結算，可實現從開始預約到服務結束全過程的“一體化”在線管理，有效掌握設備使用情況，做到信息化、透明化和規范化。

隨著新型冠狀病毒感染疫情在全球的持續性發生，實驗室管理風險也隨之增加。基于疫情防控的復雜性和長期性，順應疫情防控常態化的特點，實驗室嚴格落實政府和學校的相關政策，擬定具體實驗制度，確保實驗室科研工作的穩定開展。例如，根據不同實驗類型進行室內消毒，深入開展疫情防控和實驗室安全教育，加強門禁管理，做好日常通風和消毒等。

（二）" 立足需求，做好創新

科研儀器是科學研究的硬件基礎，小動物活體光學成像系統作為研究模型動物的重要科研儀器，是基礎研究向應用成果轉化的重要橋梁之一。作為高校儀器服務平臺，一方面要提高技術人員的實驗水平，全方位了解儀器已開發的功能，關注國內外不同品牌的IVIS性能和升級速度，通過與平臺現有儀器對比，動態把控使用需求；另一方面，要提升創新能力，根據研究需求，探索“定制化”新功能。此外，管理人員除做好自我能力提升外，還應當做好創新引導工作[17]，做到“理論聯系實際”，培育兼具創新精神和實踐能力的復合型人才。

（三）" 共享資源，服務社會

2015年1月，國務院發布了《關于國家重大科研基礎設施和大型科研儀器向社會開放的意見》（國發〔2014〕70號），要求各單位加強科技資源開放服務和儀器設備開放運行機制[18]。2022年1月，新修訂的《中華人民共和國科學技術進步法》又一次倡導“發揮高等學校在科學技術研究中的重要作用，鼓勵高校開展科學研究、技術開發和社會服務”[5]。

為此，本室嚴格落實國家相關政策要求，制定了適用于本單位科研設備的規章制度，切實做好儀器開放共享工作。在滿足本單位科研教學需求的基礎上，擬定對外開放管理機制，最大限度進行資源共享。根據使用群體和使用功能的差異性，采取不同的開放方式，制定合理的收費標準。不斷提高資源利用率，促進科學儀器設備使用的社會化服務。

除做好儀器共享工作，技術人員作為儀器管理和開發的重要參與者，也應當發揮自身的主體作用，積極開展科學技術普及工作，參與科學技術進步活動，提高全體公民的科學文化素質[19]。為科技創新做好“搭臺”，促進基礎研究、應用研究與成果轉化融通發展。

四" 結束語

實驗動物研究是生命科學研究的支撐和重要組成，小動物活體成像儀作為基礎動物研究的實用工具，在醫藥生物領域的科學研究中發揮了支撐性作用。本文以醫藥生物技術國家重點實驗室為例，對實驗室現有的小動物活體光學成像儀器的使用和管理進行了全面的總結。面向國家當前在科技創新和人民生命健康的新需求，不斷反思和完善儀器管理制度，提高設備利用率和共享率，不斷推動原始性創新、累進式創新和顛覆性創新發展。未來要不斷開發儀器新功能、探索管理新模式、挖掘科研新資源，以應用需求帶動基礎研究，為打造更多生命科學領域科技成果做好服務工作。

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基金項目：國家自然科學基金青年科學基金項目“集成化有機光-電化學晶體管生物傳感新方法研究及應用”（2021101616）

第一作者簡介：朱圓城（1993-），女，回族，河南周口人，博士，工程師。研究方向為生物傳感新方法研究、實驗室儀器開發與管理。