ivis成像系统（in vivo imaging system），作为一种先进的活体光学成像技术，革新了生物医学研究中对细胞和分子事件的实时、非侵入性监测能力。它主要通过检测生物体内特异性表达的荧光或生物发光信号，为科学家提供了前所未有的视角，去观察疾病进展、药物作用机制以及基因表达等动态生物过程。
ivis成像系统：究竟“何”物？
ivis成像系统是一种高度集成的活体光学成像平台，其核心在于能够捕获和量化来自活体生物（主要是小型动物如小鼠、大鼠）内部的微弱光信号。它突破了传统体外实验的局限，实现了对完整生物体内的细胞、基因、蛋白乃至组织器官功能状态的长期、动态监测。
核心成像原理与模式
ivis系统主要利用以下几种光学成像模式：
- 生物发光成像 (Bioluminescence Imaging, BLI)： 这是ivis最常用也最具代表性的模式。它依赖于生物体内表达的荧光素酶（如萤火虫荧光素酶、海肾荧光素酶等）与底物（如D-荧光素）发生反应，产生化学光。这种光是非侵入性地从生物体内部发出，无需外部光源激发，背景信号极低，因此具有极高的灵敏度。它常用于追踪肿瘤细胞生长、细菌感染、基因表达或细胞迁移等。
- 荧光成像 (Fluorescence Imaging, FLI)： 荧光成像需要外部光源（如卤素灯、LED阵列）激发，使生物体内的荧光报告基因（如GFP、RFP等）或荧光染料发出特定波长的荧光。系统通过滤光片选择性地接收这些荧光信号，去除激发光，从而成像。荧光成像的优势在于可以选择多种荧光探针，实现多色成像，但其背景信号相对生物发光高，且光在生物组织内衰减和散射较为显著。
- 化学发光成像 (Chemiluminescence Imaging, CLI)： 与生物发光类似，化学发光也是由化学反应产生的光，但通常不涉及酶。例如，某些氧化还原反应或辣根过氧化物酶（HRP）与特定底物反应产生的光。在活体成像中相对较少直接应用，但原理相通。
系统核心组件
一个完整的ivis成像系统通常包含以下关键组件：
- 光密成像箱： 提供一个全黑、光线隔离的环境，以最大限度减少外部光线干扰，确保捕获到活体内部的微弱光信号。通常集成有动物麻醉接口。
- 超灵敏冷却CCD/EMCCD相机： 这是捕获光信号的核心部件。这些相机经过深度冷却（通常达到-90°C甚至更低），以显著降低热噪声，从而提高信噪比，使其能够检测到极低强度的光子信号。
- 高效率光学透镜： 用于收集从活体发出的光子，并将其聚焦到相机传感器上。通常配备可变光圈和焦距，以适应不同的成像需求。
- 多种激发光源与发射滤光片： 主要用于荧光成像。激发光源提供特定波长的光来激发荧光探针，而发射滤光片则只允许荧光探针发出的光通过，阻挡激发光。生物发光成像则无需激发光源，只需相应的发射滤光片（用于光谱分离）。
- 动物麻醉系统： 由于活体成像需要动物保持静止，通常集成有气体麻醉设备（如异氟烷），确保动物在成像过程中安全、稳定。
- 温控平台： 维持动物体温稳定，避免低温应激对生理状态和信号强度的影响。
- 专业图像采集与分析软件： 这是ivis系统的“大脑”，负责控制相机参数、数据采集、图像处理、信号量化（如光子通量）、三维重建以及多模态图像融合等功能。
为何选择ivis成像系统？
ivis成像系统之所以受到广泛青睐，在于其独特的技术优势，解决了传统研究方法的诸多痛点。
核心优势
- 非侵入性与实时监测： 这是ivis最突出的优点。无需手术，即可在不损伤动物的前提下，动态观察生物过程，大大减少了动物的痛苦和应激反应，也避免了手术带来的假象。
- 活体长期纵向研究： 同一只动物可以反复进行成像，在不同时间点收集数据，从而实现对疾病进展、治疗效果或细胞命运的长期、连续追踪。这极大地减少了实验动物的使用量，并降低了批次间差异，提高了数据的可靠性。
- 高灵敏度与高通量： 特别是生物发光成像，由于背景信号极低，能检测到极少量细胞或分子产生的信号。系统通常能同时成像多只动物（如5-10只），提高了实验效率。
- 定量分析： 通过专业的软件，可以对捕获的光信号进行精确的定量，如计算光子通量（photons/second/cm²/steradian），从而反映报告基因的表达水平、肿瘤的大小或病原体的数量，实现从定性到定量的飞跃。
- 多维度数据获取： 除了二维平面图像，一些先进的ivis系统还能进行三维断层成像（Diffuse Luminescence Tomography, DLT或Diffuse Fluorescence Tomography, DFT），提供信号在体内的精确空间定位。
典型应用领域
ivis成像系统在生命科学和药物研发的多个领域发挥着不可替代的作用：
- 肿瘤生物学与抗癌药物研发：
- 实时追踪肿瘤生长、转移、复发。
- 评估抗肿瘤药物的体内药效和治疗响应。
- 监测肿瘤微环境、免疫细胞浸润等。
- 感染性疾病与疫苗研究：
- 追踪病原体（细菌、病毒、真菌）在体内的感染和播散路径。
- 评估抗感染药物的疗效。
- 监测宿主免疫反应和疫苗保护效果。
- 基因治疗与细胞治疗：
- 监测基因表达载体（如病毒载体）的体内转导效率和组织分布。
- 追踪干细胞、免疫细胞（如CAR-T细胞）在体内的存活、迁移和靶向能力。
- 炎症与免疫学研究：
- 监测体内炎症反应的发生、发展和消退。
- 追踪免疫细胞（如T细胞、巨噬细胞）的活化和归巢。
- 神经科学：
- 监测脑部肿瘤生长、神经炎症、神经退行性疾病模型中的分子事件。
- 评估神经保护药物的疗效。
- 药物代谢动力学(PK)与药效学(PD)：
- 示踪药物在体内的分布、富集和清除。
- 实时监测药物对靶标的结合和功能影响。
ivis成像系统应用于“何”处？
ivis成像系统因其独特优势，已成为现代生物医学研究和药物开发中不可或缺的工具，广泛应用于世界各地的科研机构、制药企业和生物技术公司。
主要应用机构
- 高等院校与科研院所： 绝大多数生命科学、医学、药学等领域的大学实验室和国家级科研机构都配备或共享ivis成像系统，用于基础研究，探索疾病机制、细胞行为、基因功能等。
- 大型制药公司： 在新药研发的早期阶段，特别是临床前研究中，ivis系统被广泛用于高通量筛选、药物药效评价、生物利用度评估以及毒理学研究，加速药物从靶点验证到临床候选物的推进。
- 生物技术公司 (Biotech Firms)： 专注于基因治疗、细胞治疗、新型生物制剂等领域的生物技术公司，常利用ivis系统来验证其治疗策略的体内效果，追踪细胞或基因载体的体内分布和功能。
- 合同研究组织 (CROs)： 许多CRO公司提供临床前研究服务，ivis成像作为其核心技术平台之一，为客户提供专业的活体成像数据支持。
- 医院与临床转化研究中心： 随着转化医学的兴起，部分大型医院的科研部门或转化研究中心也开始引入ivis系统，用于连接基础研究与临床应用，例如评估新型诊疗方案的体内效果。
典型应用场景举例
场景一：抗肿瘤药物筛选
某制药公司研发了一系列新型抗癌化合物。他们将人源肿瘤细胞（稳定转染荧光素酶报告基因）接种到免疫缺陷小鼠体内，建立皮下或原位肿瘤模型。在小鼠肿瘤形成后，随机分组并给予不同剂量的化合物或对照。每周通过ivis系统对小鼠进行活体生物发光成像。通过比较各组肿瘤光信号强度的变化，可以直观、定量地评估不同化合物的抑瘤效果，并筛选出最有潜力的候选药物进入后续研发阶段。
场景二：CAR-T细胞治疗效果评估
某生物技术公司正在开发针对实体瘤的CAR-T细胞疗法。他们将表达荧光素酶的靶肿瘤细胞注射到小鼠体内形成肿瘤，然后将通过慢病毒转染了荧光素酶（或其他荧光蛋白）的CAR-T细胞回输给小鼠。通过ivis成像系统，研究人员可以同时追踪肿瘤的消退（肿瘤细胞发光减弱）和CAR-T细胞在体内的归巢、增殖和清除肿瘤的过程（CAR-T细胞发光增强并聚集在肿瘤部位），从而全面评估CAR-T细胞的体内抗肿瘤活性和持久性。
“如何”操作与成像？
ivis成像的操作流程看似复杂，但一旦熟悉，便能高效获取高质量数据。其核心在于严谨的样本准备、精确的仪器设置和专业的图像分析。
实验准备阶段
- 报告基因的选择与表达：
- 生物发光： 选择合适的荧光素酶基因（如luc2、Fluc等），通过慢病毒、腺病毒、转基因或CRISPR/Cas9等技术将其稳定导入目标细胞（如肿瘤细胞、免疫细胞）或构建转基因动物模型。
- 荧光： 选择合适的荧光蛋白基因（如GFP、RFP、mKate等）或通过特定途径（如静脉注射、口服、局部给药）引入荧光染料（如ICG、Cy5.5等）。
- 动物模型建立： 根据研究目的，建立相应的疾病动物模型，如肿瘤模型（皮下、原位、转移）、感染模型、炎症模型等。确保动物健康状况良好，符合伦理要求。
- 底物或探针准备：
- 生物发光： 准备荧光素酶的底物（如D-荧光素，通常溶于PBS或生理盐水），使用前新鲜配制。
- 荧光： 准备荧光探针或染料，确保其溶解性、稳定性和特异性。
- 仪器预热与参数设置： 提前开启ivis系统和麻醉设备进行预热。根据实验设计，确定成像模式（BLI/FLI）、曝光时间、binning设置、滤光片选择、视野大小等参数。
成像操作流程
- 动物麻醉： 将待成像的动物放入麻醉箱中进行气体麻醉（常用异氟烷），待动物完全麻醉后，移至成像腔内的温控平台。麻醉过程中需监测动物呼吸，确保安全。
- 底物/探针给药：
- 生物发光： 腹腔注射或静脉注射D-荧光素底物。通常在注射后5-15分钟（根据酶的类型和动力学）进行成像，等待底物在体内充分分布并与酶反应达到发光高峰。
- 荧光： 根据实验设计，通过静脉注射、口服、局部涂抹等方式给予荧光探针。在探针充分分布并结合到靶标后进行成像。
- 定位与摆放： 将麻醉后的动物在成像平台的指定位置摆放整齐，确保成像区域完全位于视野内，且动物身体平坦，减少体位对光信号的影响。系统通常有多个动物成像托盘，可以一次性放置多只动物。
- 图像采集：
- 在软件界面选择相应的成像模式和参数。
- 选择合适的滤光片（如果需要）。
- 进行实时预览，调整焦距和视野。
- 设定曝光时间（从几秒到几分钟，取决于信号强度）。
- 点击“采集”或“拍照”按钮，系统将自动捕获图像。
- 对于三维成像，系统会通过多角度或多波长采集数据，并通过算法重建。
- 数据保存： 每次成像后，将原始图像和数据文件保存到指定目录，并做好详细标记，包括动物编号、日期、时间、实验组别等信息。
- 动物恢复： 成像结束后，将动物从成像腔中取出，放置于温暖、干净的恢复笼中，直至完全苏醒并能自由活动。
数据分析与结果呈现
ivis系统自带的专业分析软件是数据解读的关键。
- 图像叠加： 将光学信号图像（伪彩图，代表信号强度）叠加到灰度解剖图像（可见光图像，代表动物形貌）上，以便直观定位信号来源。
- 区域选择 (Region of Interest, ROI)： 在图像上圈选感兴趣的区域（如肿瘤部位、器官区域），对该区域内的光信号进行定量分析。
- 信号量化： 最常用的量化指标是光子通量（Photon Flux），单位通常为p/s/cm²/sr（photon/second/cm²/steradian）。该值反映了单位时间、单位面积、单位立体角内发出的光子数量，可以用来比较不同时间点或不同组别间的信号强度差异。
- 光谱分离与多色成像： 对于多色荧光成像，软件可以通过光谱解混算法分离不同波长的荧光信号，避免交叉干扰。
- 三维重建与量化： 对于具有三维成像功能的系统，软件可以重建信号在体内的三维分布，并进行体积和深度的量化。
- 数据导出与统计分析： 量化数据通常可以导出为表格形式，用于GraphPad Prism、Excel等软件进行统计学分析和图表绘制。
购置与运行成本“几何”？
购置和运行一套ivis成像系统是一项显著的投入，其成本涉及多个方面，且因品牌、型号、配置和使用频率而异。
初始购置成本
ivis成像系统的价格范围非常广，从几十万元人民币到数百万元人民币不等。
- 入门级系统： 约在50万 – 100万元人民币，通常功能相对基础，主要支持生物发光成像，荧光通道较少，软件功能可能也较简单。适合资金有限或初次引入的实验室。
- 中高端系统： 约在100万 – 250万元人民币，这是市场上的主流选择。具备多个荧光激发和发射通道，更高灵敏度的相机，更强大的分析软件（如支持三维成像），以及更完善的动物管理系统（多动物托盘、气体麻醉集成）。
- 顶级系统： 250万元人民币以上，甚至高达400-500万元人民币。这类系统通常配备最先进的EMCCD相机，超宽光谱范围，多光谱成像功能，高度集成化的自动化操作，以及最强大的三维重建和多模态图像融合能力，满足最前沿和复杂的科研需求。
影响初始成本的因素：
- 相机类型和灵敏度： EMCCD相机通常比标准CCD相机更昂贵，但灵敏度更高。
- 成像模式： 支持的荧光通道数量越多，价格越高。
- 三维成像功能： 具备三维重建功能的系统通常价格更高。
- 自动化程度： 自动化麻醉、自动滤光片切换等功能会增加成本。
- 品牌和服务： 知名品牌通常有更高的溢价，但也能提供更可靠的质量和售后服务。
- 附件和配套设备： 如额外的麻醉机、气体钢瓶、专用动物托盘、电脑工作站等。
运行与维护成本
除了初始购买费用，ivis系统的日常运行和维护也需要持续的投入。
- 耗材费用：
- 荧光素酶底物： D-荧光素是生物发光成像的必需品，价格不菲，特别是进行大量动物实验时，成本显著。
- 荧光探针： 各种特异性荧光染料和探针价格从几百到几千元不等。
- 动物模型： 购买或饲养实验动物（如免疫缺陷鼠、转基因鼠）的费用。
- 麻醉气体： 异氟烷等气体麻醉剂的消耗。
- 其他： 注射器、针头、手套、酒精等常规实验室耗材。
- 维护与服务：
- 年度维护合同： 许多厂商提供年度维护合同，确保设备的正常运行和及时维修，费用通常是设备价格的5%-10%。
- 零部件更换： 相机、滤光片、光源等关键部件的寿命有限，更换成本高昂。
- 软件升级： 软件版本更新可能需要额外付费，以获取新的功能和优化。
- 人员培训： 操作ivis系统需要专业知识和技能，人员培训也需要投入时间和资源。
- 动物饲养： 动物房的运行成本（饲料、垫料、人工等）。
总体而言，ivis成像系统是一项长期的战略性投资，需要在购置前充分评估实验需求、预算以及未来几年的运行和维护开销。
ivis成像系统的局限性与挑战
尽管ivis成像系统功能强大，但它并非万能，在实际应用中仍存在一些固有的局限性和挑战。
光信号的衰减与散射
这是所有光学成像技术在活体应用中面临的核心问题。生物组织（如皮肤、肌肉、脂肪、血液）对光具有吸收和散射作用，导致：
- 穿透深度有限： 可见光和近红外光在组织中的穿透深度有限。生物发光和荧光信号强度会随着组织深度增加而迅速衰减，因此对深部器官（如大脑深层、心脏、胰腺）的信号检测灵敏度会显著降低。通常，ivis对浅表或容易被光穿透的部位（如皮下肿瘤）成像效果最佳。
- 空间分辨率受限： 光在组织内发生散射，导致信号扩散，使得图像边缘模糊，难以精确分辨微小结构或相邻的信号源。因此，ivis的空间分辨率通常在毫米级别，无法达到微米级的细胞水平。
- 定量准确性影响： 组织类型、厚度、色素含量等因素都会影响光的吸收和散射，导致位于不同深度或不同组织环境中的相同强度信号，在体外检测时可能表现出不同的表面光子通量，从而影响定量结果的准确性。
背景信号与信噪比
- 自发荧光： 活体组织中存在内源性的自发荧光物质（如胶原蛋白、NAD(P)H、黄素蛋白），尤其在可见光和短波长荧光范围内，这些自发荧光会产生背景信号，降低信噪比，干扰外源荧光探针的检测。
- 血红蛋白吸收： 血液中的血红蛋白对可见光有较强的吸收，会进一步衰减光信号，影响成像质量。
报告基因与探针的局限
- 荧光素酶底物依赖： 生物发光成像需要额外注射底物，底物的体内分布、代谢和清除速度会影响信号的动力学和持续时间。
- 基因表达水平： 报告基因的表达水平需要足够稳定且高，才能产生可检测的信号。如果表达过低，可能无法检测到信号；过高则可能饱和。
- 探针特异性与稳定性： 荧光探针的选择需要考虑其靶向特异性、在体内的稳定性、生物相容性以及清除速度。非特异性结合或快速降解都会影响结果。
伦理与法规挑战
- 动物福利： 尽管ivis是非侵入性的，但动物在实验过程中仍需麻醉和处理。长期纵向研究需要更加关注动物的健康和福利，遵守严格的动物实验伦理规范。
- 数据解读： ivis数据是光学信号的间接测量，其与真实生物事件的关联需要严谨的验证和校准。单一的ivis数据有时无法提供足够全面的生物学信息，常需要结合其他体内外实验数据进行综合分析。
成本考量
如前所述，ivis系统的购置和运行成本较高，对于预算有限的实验室来说，是一项不小的挑战。
“如何”选择适合的ivis成像系统？
选择一款合适的ivis成像系统，需要综合考虑实验室的科研需求、预算、技术支持以及未来的发展潜力。以下是一些关键的考量因素：
1. 明确科研需求与应用场景
- 主要成像模式： 您的研究主要依赖生物发光还是荧光？如果仅需生物发光，入门级系统可能足以满足。如果需要多色荧光成像，则需要更多激发光源和滤光片通道的系统。
- 研究对象的深度： 您的靶标位于体内深部还是浅表？如果位于深部，可能需要更高灵敏度的相机和更好的三维重建算法。近红外荧光探针比可见光探针穿透更深，因此，支持近红外通道的系统可能更适合深部成像。
- 信号强度： 您的报告基因表达水平预计是高还是低？如果信号非常微弱，就需要超高灵敏度的EMCCD相机。
- 通量需求： 您需要同时成像多少只动物？系统是否支持多动物成像托盘？高通量需求意味着需要更大的成像箱和高效的动物麻醉管理系统。
- 三维信息需求： 您是否需要了解信号的精确三维定位和深度信息？如果是，则需要具备DLT/DFT功能的系统。
- 多模态兼容性： 未来是否可能与其他成像模态（如CT、MRI）进行图像融合？选择支持DICOM等通用图像格式导出的系统，有助于未来的多模态研究。
2. 评估系统性能与技术参数
- 相机灵敏度： 这是核心参数，通常以量子效率（QE）和信噪比（SNR）来衡量。高量子效率和低噪声（如深度冷却）的相机能捕获更微弱的信号。
- 空间分辨率： 通常用最小可分辨距离表示，但如前所述，活体光学成像的空间分辨率有限，更多是考量图像的清晰度和细节捕捉能力。
- 光谱范围与滤光片： 考察系统支持的激发/发射波长范围，以及可配置的滤光片数量和类型，是否能满足您的多色成像需求。
- 曝光时间范围： 系统支持的曝光时间范围，从毫秒到分钟，决定了其适应不同信号强度的能力。
- 动物管理系统： 考察麻醉设备的集成度、气体流量控制精度、温控平台的稳定性、以及是否有多个麻醉接口和动物托盘。
- 软件功能： 强大的软件是ivis系统价值的体现。考察其图像采集、处理、量化（光子通量、ROI分析）、三维重建、多光谱分离、数据导出等功能是否满足需求，以及用户界面是否友好。
3. 预算与成本效益
- 初始购置成本： 根据预算选择合适的型号和配置。考虑是购买全新的系统还是购买二手设备（后者风险较高，需谨慎）。
- 长期运行成本： 预估耗材（底物、探针、动物）和维护费用。询问供应商关于年度维护合同和主要部件的保修政策。
- 性价比： 并非最贵的系统就最好。选择在满足科研需求前提下，性价比最高的方案。
4. 品牌、服务与支持
- 品牌声誉： 市场上有多个ivis系统品牌，如PerkinElmer (IVIS系列)、Caliper (已并入PerkinElmer)、Bruker (In-Vivo Xtreme)、Berthold Technologies等。了解其市场口碑、技术实力和研发投入。
- 技术支持与售后服务： 考察供应商在安装、调试、培训、故障排除方面的响应速度和专业程度。是否有本地化的技术支持团队？提供哪些培训课程？
- 用户群体与交流： 了解是否有活跃的用户社区或论坛，可以获取经验分享和问题解答。
5. 系统可升级性
考虑未来科研方向可能的变化，选择一个具有良好可升级性（如增加荧光通道、升级相机、软件更新等）的系统，有助于延长设备的使用寿命和满足未来的研究需求。
通过对以上因素的全面考量和比较，实验室可以选择到最适合自身科研目标和预算的ivis成像系统，从而高效地推动生命科学研究的进展。