神经环路应用（27）丨临床前研究的“高清活体显微镜”

通过整合高通量与全断层光学成像，借助先进光学技术无创长期监测活体动物疾病进展、细胞迁移、基因表达；利用优化滤光片和光谱解混，适配蓝到近红外波段的生物发光与荧光报告基因；提供荧光和生物发光的真 3D 断层成像，可结合数字小鼠图谱解剖学分析或经多模态模块与 MR、CT、PET 配准。

这类图像通常由 IVIS Spectrum（或同类光学成像系统）采集生成，依赖系统的3 大核心能力：

生物发光/荧光成像：

通过检测肿瘤细胞（或病原体）标记的荧光素酶、荧光蛋白发光，实现 “无创、活体、动态监测”（无需解剖，直接看体内变化）；

时间序列监测：

支持长期、多次成像（从 Day 0 到 Day 42），观察同一动物的病程/治疗响应，避免个体差异干扰；

定量与可视化：

伪彩图直观展示信号分布，系统软件还能定量分析发光强度（如 Radiance 值），把 “颜色变化” 转化为数据（肿瘤大小、病原体载量等）。

Fig1 设备简图

麻醉系统：为成像动物提供气体麻醉；

动物隔离舱套件：隔离成像动物，保障实验环境；

荧光成像幻影鼠：用于荧光成像校准和性能验证；

小鼠成像穿梭装置：辅助小鼠定位与转移；

工作台 XWS-260：提供系统放置与操作平台

优势

一站式集成多模式成像，无创纵向监测保障数据连续，全光谱兼容适配广，光谱解混精准区分信号，3D 断层结合解剖或多模态配准可提升研究深度与准确性。

1. 高灵敏度成像能力

生物发光成像：配备- 90°热电冷却的 CCD 相机（大芯片面积+低光圈），灵敏度达检测低至 5 个细胞，可快速定量成像萤火虫荧光素酶、海肾荧光素酶等多种生物发光报告基因，支持肿瘤转移（如 MDA-MB-231-luc2 细胞心脏注射后转移）和肿瘤生长（如 GL261luc2 细胞颅内种植）的纵向监测。

荧光成像：可定量所有常用荧光团（荧光蛋白、染料、偶联物），通过10 个窄带激发滤光片（415-760nm，30nm 带宽） 和18 个窄带发射滤光片（490-850nm，20nm 带宽），结合先进光谱解混算法，有效区分多个报告基因并降低组织自发荧光干扰。

2. 3D 断层与定位技术

3D重建：通过 FLIT（荧光成像断层扫描）分析荧光光源的 3D 空间几何、深度及强度，通过 DLIT（扩散发光成像断层扫描）分析生物发光光源，可结合数字小鼠图谱在解剖学背景下量化肿瘤细胞数量和染料浓度。

多模态配准：支持自动导入并配准 CT、MRI 图像，输出 DICOM 兼容格式，可查看矢状面、冠状面和横轴面图像，还能将静态 3D 图像转换为旋转动画从多视角观察光源。

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应用

肿瘤研究（监测生长、转移，评估药效）、细胞治疗（追踪干细胞、免疫细胞迁移）、药物研发（验证靶向递送、监测代谢。

Fig2 活体动物光学成像（生物发光/荧光成像）的实验数据图

上半部分：肿瘤生长/局部病灶监测

特点：信号集中在小鼠身体某一部位（如右侧腹部），随时间（Day 0→Day 42）颜色从蓝→红，说明局部生物发光信号持续增强。

典型场景：可能是 “肿瘤细胞接种实验”——Day 0 时接种少量标记荧光素酶的肿瘤细胞（信号弱 / 蓝），随时间推移，肿瘤细胞增殖，发光信号变强（红 /黄），用于观察肿瘤生长速率、药物干预效果等。

下半部分：全身转移/多病灶监测

特点：信号分散在小鼠全身（腹部、四肢等），随时间（Day 6→Day 26）新的高信号区（红 / 黄）不断出现。

典型场景：可能是 “肿瘤转移实验” 或 “病原体全身扩散实验”初始接种后，肿瘤细胞/病原体随血液、淋巴转移到全身，新出现的高信号区代表转移灶形成，用于研究转移路径、扩散规律。用于监测实验动物体内生物过程随时间的变化，常见于肿瘤生长、转移，或病原体感染、药物疗效评估等临床前研究。

立体定位注射三突变APP-AAV构建AD大鼠模型示例

24只SD大鼠随机分为三组：空白对照组（BC）、空载病毒组（VC，注射rAAV-Nluc）、实验组（Exp，注射携带人源三突变APP基因的rAAV-APPs1a-Nluc）。在异氟烷麻醉下，通过脑立体定位术将病毒（2 μL × 2，1×10¹³ vg/mL）双侧注射至海马（坐标：±2, -3.3, -3 mm）。术后饲养，于注射后2周和6个月，各组大鼠腹腔注射Furimazine（0.23 mL/100g），10–15分钟后在麻醉状态下进行活体成像，检测生物发光信号。同时记录体重。

Fig3 大鼠活体成像检测生物发光信号

BC（空白对照）、VC（空载病毒）、Exp（实验组）大鼠经脑立体定位在海马区注射病毒。Exp组携带人源三突变APP和NanoLuc荧光素酶基因。腹腔注射底物Furimazine后10分钟检测发光：2周时Exp和VC组均可见明显荧光；6个月后两组荧光减弱但仍可检测，BC组始终无信号。结果证明造模后大鼠脑部有效表达rAAV。

总结

IVIS Spectrum 是先进临床前光学成像系统，整合高通量与全断层光学成像功能，具备高灵敏度（可检测低至 5 个细胞） 的在体荧光和生物发光成像能力支持3D 断层重建与绝对校准，通过覆盖 430-850nm 的 28 个高效滤光片及先进光谱解混算法实现多光谱成像，可与CT、MRI 等技术自动配准，适用于疾病进展监测、细胞示踪、基因表达分析等临床前在体成像研究。

文献引用：

• 肖林林,杨逸萱,黎珊杉,等.利用脑立体定位技术将人源三突变APP基因导入海马区构建阿尔茨海默病大鼠模型[J].实验动物与比较医学,2025,45(03):269-278.

• Zhao, Xu et al. In vivo neutrophils hitchhiking for tumor targeting and microenvironment regulation boosts oncolytic virus therapy.Cell Reports Medicine, Volume 0, Issue 0, 102314

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