小动物活体成像系统成像速度如何提升

小动物活体成像系统作为生命科学研究领域的重要工具，能够在实时和非侵入性的条件下追踪小动物体内的生物学过程和疾病发展的动态信息。随着科学技术的不断进步，如何提升小动物活体成像系统的成像速度，成为科研人员关注的重点。本文将从成像原理、技术优化、实验准备及操作技巧等方面，探讨如何提升小动物活体成像系统的成像速度。

一、成像原理与成像速度的关系

小动物活体成像系统主要基于光学成像原理，分为生物发光成像（BLI）和荧光成像（FLI）两种。生物发光成像利用荧光素酶催化底物氧化反应产生光子，从而发出光信号；荧光成像则利用荧光染料或荧光蛋白等荧光标记物质，在特定波长光激发下发出特定波长的荧光信号。成像速度的提升，首先需要对这两种成像原理有深入的理解。

生物发光成像的信号强度与荧光素酶的活性及底物浓度密切相关。因此，在实验中，选择合适的荧光素酶和底物，以及优化注射剂量和注射途径，对于提高成像速度和信噪比（SNR）至关重要。荧光成像则受荧光染料的激发和发射光谱、激发光强度、曝光时间等多种因素影响。在优化这些参数的基础上，可以实现更快的成像速度和更高的图像质量。

二、技术优化与成像速度的提升

像素合并与曝光时间

图像的信噪比（SNR）是影响成像速度的重要因素之一。通常，通过调整像素合并（Binning）和曝光时间来优化SNR。在BLI中，使用适当的像素合并（如4×4）和短曝光时间（如5秒）拍摄初始图像。如果没有检测到信号，则使用更高的像素合并（如8×8或16×16）以及更长的曝光时间（从60秒开始，必要时可延长至600秒）。对于FLI，则通常通过从中到高的像素合并（如4×4或8×8）和从短到中的曝光时间（如5到30秒）来实现最好的SNR。要避免在FLI中进行长时间曝光，因为这可能导致来自组织自体荧光所造成的背景噪音升高。

多模态成像技术

多模态小动物活体光学成像系统能够同时进行高灵敏生物发光成像（BLI）、荧光成像（FLI）、X射线成像、切伦科夫成像（Cerenkov）以及明场成像等多种成像模式。通过融合展示和进一步分析这些成像模式的数据，不仅可以提供更全面的生物学信息，还有助于提升成像速度。例如，在BLI和FLI的联合成像中，可以通过优化两种成像模式的参数设置和成像顺序，实现更快的成像速度和更高的图像质量。

成像系统硬件升级

随着科技的进步，小动物活体成像系统的硬件也在不断更新换代。采用更高灵敏度的探测器、更快速的数据采集和处理系统以及更稳定的光源等硬件升级措施，可以显著提升成像速度。例如，一些先进的成像系统采用了冷却到-90℃的CCD传感器，其信号采集和处理速度更快，有助于实现更快速的成像。

三、实验准备与成像速度的提升

实验动物的选择与处理

实验动物的选择与处理对成像速度有着重要影响。尽可能使用无毛、白化或Hr突变的动物品系，以减少毛发光吸收和光散射对成像速度的影响。如果由于动物模型的遗传背景或免疫能力状况不允许使用这些品系，可以在成像前进行剃毛或脱毛处理。剃毛或脱毛处理最好在成像前24小时进行，以避免脱毛过程引起的皮肤炎症对成像速度的影响。

此外，给动物喂食无自发荧光的饮食也是提升成像速度的重要措施。在FLI中，如果动物的饮食中含有富含叶绿素的植物（如苜蓿），动物肠道就会产生近红外（NIR）自发荧光。为了避免这种自发荧光对成像速度的影响，建议在成像前一周开始给动物喂食不含苜蓿的饮食。

底物注射途径与剂量的优化

底物注射途径与剂量的优化也是提升成像速度的关键。在BLI中，最常用的底物注射途径是经腹膜腔注射（IP）。然而，对于不同的疾病模型，可能需要考虑不同的注射途径。例如，对于腹膜腔疾病模型，经皮下注射（SC）被证明可以给出更好的图像质量，因为IP注射可能导致人为地提高腹膜腔生物发光信号。此外，IP注射也增加了无意中将底物注入内脏器官而非腹膜腔的风险。鉴于SC注射的失败率较低，可以考虑将此法作为底物注射的默认路径。

底物注射剂量的优化同样重要。以D-荧光素为例，在成像当天准备新鲜的溶液，并给予150mg/kg的IP剂量，可以在大多数小鼠模型中实现一段时间的荧光素酶饱和动力学。如果剂量过低，可能导致信号强度不足，影响成像速度；如果剂量过高，则可能增加背景噪音，降低图像质量。

四、操作技巧与成像速度的提升

确定最佳动物体位和方向

实验动物体内的光学信号会被组织干扰从而发生衰减。在动物模型中，信号源越深，信号衰减越大。为了达到最大的模型灵敏度，需要确定能够发出最高信号强度的动物体位和方向。研究者可以从多个位置拍摄图像，以确定最佳的动物体位和方向。此外，强烈建议在动物之间使用分隔板，以防止信号的反射和互相干扰。

成像前清洁实验动物和仪器

成像前清洁实验动物和仪器也是提升成像速度的重要措施。动物衬垫、食物和皮屑都可以产生背景荧光信号。因此，在成像之前，一定要擦拭净动物爪子，清洁成像平台。最好用浸透70%乙醇的纸巾擦拭，以减少背景噪音对成像速度的影响。

建立生物发光信号的动力学曲线

生物发光信号强度反映的是荧光素酶底物的动态变化。这些动态变化作为疾病相关的病理和生理结果，通常是组织依赖性的，也可以随着时间的推移而变化。在运用BLI的研究中，应识别生物发光的峰值并比较其在实验过程中的经时变化。最好通过在每个成像时间点建立生物发光动力学曲线来实现这一目标。这种曲线是在荧光素注射后的一系列时间点内，通过对动物进行注射、麻醉、然后成像来建立的。通常，成像开始于注射后5分钟，每5-10分钟重复一次，并在信号强度开始下降时结束。通过建立生物发光信号的动力学曲线，可以更快地识别出最佳成像时间点，从而提升成像速度。

综上所述，提升小动物活体成像系统的成像速度需要从成像原理、技术优化、实验准备及操作技巧等多个方面入手。通过深入理解成像原理、优化技术参数、选择合适的实验动物与处理方法以及掌握操作技巧等措施，可以显著提升小动物活体成像系统的成像速度，为生命科学研究提供更加高效、准确的成像工具。

在未来的研究中，随着科学技术的不断进步和成像技术的不断创新，小动物活体成像系统的成像速度有望得到进一步提升。同时，科研人员也需要不断探索新的成像方法和优化策略，以满足生命科学研究对成像速度和质量的更高要求。