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生物醫學技術分析:生物醫學虛擬儀器技術分析
1生物醫學工程專業課程設置及教學現狀
我校自2003年開辦生物醫學工程專業以來,根據醫科院校特點,以為醫療和醫學研究服務為目的,培養能將醫學與工程技術相結合,從事醫學影像、醫療電子儀器和計算機技術的研發、操作和管理工作,并且能夠開展生物醫學工程學科研究的人才[1]。該專業主要學習生命科學、電子技術、計算機技術及信息圖像傳輸、處理等有關的基礎理論知識以及醫學與工程技術相結合的科學知識,設置的主干課程有:“電路原理”“模擬電子技術”“數字電子技術”“微機原理”“生物醫學傳感器”“醫療儀器原理”“信號與系統”“數字信號處理”“生物醫學信號檢測與處理”“單片機原理與接口技術”等。另外憑借醫學院校的優勢還開設了一些醫學方面的基礎課,生理學、人體解剖等。為了提高教學質量,更好的達到教學效果,所開設的這些課程基本上都需要做實驗演示,以增強形象性效果和形象性驗證。實驗教學在大學教育中是必要手段。幾乎每門課的實驗教學都需要用到各種各樣的電子儀器,主要包括示波器、信號發生器等。在傳統教學中基本上都是使用相對獨立、功能固定的電子儀器,不能夠隨意更改它們的結構和功能。對于需要電子計算機之類的課程而言,一般都得配備幾十套教學儀器來供教學使用,這些儀器設備還需要不斷更新維護,教學成本比較高。另外,在醫學院校對于和醫學相關的專業課程很多實驗實際操作比較困難,效果不理想。中國的醫學教育資源本身很緊張,另外醫院的設備多是大型設備,體積龐大,價格昂貴,操作使用復雜,臨床使用要求高,一般院校很難滿足大型醫療設備的教學使用需要。因此,在醫學院校的教學中就出現很多問題,比如醫學實驗教學中的人體生理參數采集等演示效果不好,所以,傳統的醫療儀器教學只能偏重于理論講解,不夠生動,即使有個別實驗模具,其教學效果也不理想。在當前學校經費較少的情況下,如果大量增加常規儀器、儀表的配置,學校財力難以支付。這樣容易造成實驗教學效果不理想,對提高學生學習興趣,培養創新及實踐能力都有一定影響。隨著現代測試功能和計算機技術的密切結合,出現的虛擬儀器技術可以幫助我們克服一些硬件上不能解決的難題,彌補傳統儀器教學的不足。
2虛擬儀器在課程中的應用
2.1虛擬儀器簡介
虛擬儀器(VirtualInstrument,VI)是一種新興的儀器,一種功能意義上的儀器,在以通用計算機為主的硬件基礎上,由用戶自己設計定義虛擬的操作面板,測試功能由軟件來實現的一種計算機儀器系統[2]。其實質是以計算機為核心的儀器系統與電腦軟件技術的密切結合,將儀器裝入計算機。通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件融合,通過軟件編程來實現傳統儀器中的由硬件電路完成的功能,利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統儀器的控制端,利用計算機強大的軟件功能來管理儀器系統,完成對信號數據的運算、分析處理等,可以多種形式輸出結果,少量的硬件模塊則為虛擬儀器的正常運行提供信號I/O接口設備來完成不同要求的測試。虛擬儀器具有傳統儀器沒有的性能高、擴展性強、開發時間短、開發成本低等優點,具有很強的靈活開放性。不同領域的科學家和工程師都借助虛擬儀器來解決工作與課題中的實際問題。所以,虛擬儀器自誕生以來就在測量、航空航天、自動化、遠程教學和生物醫學等世界范圍的眾多領域內得到了廣泛應用[3]。LabVIEW是美國NI(NationalInstrument)公司推出的一種基于圖形化編程的軟件開發工具,將功能強大的圖形化設計平臺LabVIEW與相關硬件結合應用于教學上,能夠使傳統理論教學與實際有效結合,幫助學生完成從理論到實踐的學習。LabVIEW軟件平臺結合數據采集卡等相關硬件可以開發出示波器、信號發生器等常用的電子儀器,不僅可以代替傳統儀器且擺脫了傳統電子儀器功能單一、更換維護麻煩等缺點[4]。將基于LabVIEW的虛擬儀器應用在教學中極大提高了教學效率,已經逐漸成為一種新的手段。
2.2在醫療儀器教學中應用
“醫學儀器原理”是生物醫學工程專業的一門專業必修課。該課程涉及了醫學和電子學、計算機、信號處理、傳感器技術等方面的知識,是一門實踐性很強的科目。作為生物醫學工程專業的學生,要掌握常見的醫療儀器的基本結構、工作原理,而且還要具有一定的創新思想和科研水平,有開發和設計高水平的醫療電子儀器的素質[5]。因此做好實驗教學是學生提高學生實驗水平和綜合能力的關鍵。醫學儀器原理實驗主要將人體生理信號的檢測及處理分析作為教學內容,包括了人體血壓信號、心電、體溫、呼吸、脈搏等生理參數的測量。生物醫學信號由傳感器轉變成電信號,因為人體生理信號比較微弱要先經過信號的放大、濾波等預處理,再進入數據采集卡。信號通過數據采集卡采集到計算機上以后,利用LabVIEW的圖像化語言進行編程,實現對數據的各種分析,包括數值分析、頻譜分析等,再通過儀器軟面板把結果顯示在電腦上。我們以人體呼吸測量為例,這種設備一般只在醫院常見,用于教學中的儀器基本上沒有。因此講過理論原理后,學生不能夠真正透徹的明白,無法滿足教學上的需要。我們利用少量硬件設計結合LabVIEW軟件編程構建了一個人體呼吸測量系統,采用阻抗式呼吸測量原理,硬件電路主要涉及放大和濾波環節,限于篇幅就不詳細說明了。圖1為基于LabVIEW平臺搭建的呼吸測量面板圖,針對學生教學取得了很好的效果,同學們一致反映對呼吸測量的原理有了更透徹的認識,并且能學習新的軟件技術,擴展知識面。在LabVIEW環境下進行實驗教學只需要根據實際情況,比如是呼吸測量還是心電測量等,通過軟件編程及很少的硬件連接便可完成實驗任務,即節省了實驗成本,又利于實驗設備更新,讓 教師和學生脫離了傳統教學儀器功能單一的框框,更重要的是可以充分提高學生積極性和發揮創造性,像搭積木一樣,根據不同的測試需要,在計算機上構建一個基于虛擬儀器技術的測試測量裝備,這樣做還能夠充分的節省高校技術資源[6]。
2.3在信號處理類課程教學中應用
生物醫學工程專業設置的信號處理類課程主要有:“數字信號處理”“信號與系統”“生物醫學信號檢測與處理”等。這些課程中往往涉及大量抽象的概念、公式,老師上課的時候也只是講解推導公式或證明算法,學生沒有直觀印象,無法把函數公式與實際波形相聯系,理解起來非常困難,從而很大程度的影響了教學效果。我們以“數字信號處理”課程為例作一簡單介紹。“數字信號處理”是一門理論性很強的,以算法為核心的科目。為了使學生深入理解教材上提到的理論算法,需要通過仿真實驗來驗證那些理論。LabVIEW軟件平臺的特點之一就是具有豐富的運算且靈活高效的信號處理功能,LabVIEW圖形化信號處理平臺由多個信號處理與數學函數庫組成,包含小波變換、濾波器設計、時頻分析、圖像處理等工具包,將信號處理的各種功能轉化為VI函數,給使用者提供了方便、簡單的編程途徑,從函數庫調用這些現成的VI函數就可以迅速完成信號處理。學生能一目了然地看到程序的運行情況,也可以比較不同的參數對結果的影響。在數字信號處理教學中濾波器是重點知識,也是教學難點。在以往的教學中發現學生普遍對于濾波器的作用弄不明白,另外根據學習的理論知識怎樣設計出有實際應用價值的數字濾波器也不清楚。在講授濾波器時,在LabVIEW中信號處理函數面板中的濾波基本函數欄進行選擇,在虛擬儀器前面板上放置多個圖形顯示控件,完成對濾波器的設計,還可以同時顯示多個濾波器的濾波結果,這種學習方式簡單明了,學生很容易理解抽象的概念從而掌握所學知識。另外LabVIEW圖形化的編程語言有助于學生在比較短的時間內開發出相對復雜的數字信號處理程序,增加了同學們的自信,提高了其學習積極性。虛擬儀器技術強大的功能可以使其對學生開展形象、直觀的教學方式,靈活的應用于教學中,不僅可以幫助學生深刻領會抽象的理論知識,扎實掌握所學知識,同時還可以提高他們的學習興趣,達到教學效果。
3小結
虛擬儀器的出現是測試領域的一次革命,是儀器領域一個新的風向標,它使現代測試測量系統功能越來越強大,且更加的靈活高效、經濟,高等教育領域也正在汲取著這種優勢,壯大著它的發展。實踐證明在生物醫學工程專業的教學中引入虛擬儀器技術,不僅能夠使教學內容和時展、科學技術緊密結合,而且可以有效促進師生的教學互動,給學生極大地參與感,對培養學生的創新意識和動手綜合能力都有幫助。隨著生物醫學和電子信息技術、虛擬技術的不斷發展,生物醫學工程專業的教學改革與研究任重而道遠,如何使高校培養出具有創新能力的高素質人才需要我們不斷努力探索。
生物醫學技術分析:體育科學和生物醫學技術論文
一、運動醫學的發展極限問題
想挑戰超人類主義所提出的概念,此概念試圖補全那件仍只是半成品的人類改造工程。作為回應,筆者簡單概括了一下《赫西奧德和埃斯庫羅斯》中關于普羅米修斯神話的兩種解釋,它可以幫助我們正確地了解運動醫學的道德局限。以此總結為一條平淡無奇的提示:人類是凡胎俗骨的,面對疾病和死亡的脆弱無助是遠非人類自身可以克服或消除的,這代表了在道德以及普通醫學,特別是運動醫學這兩方面的自然局限。
二、生物醫學技術與體育科學的發展
把現代社會實踐歸結為科學問題很容易,同樣,設想一種特定的科學技術,例如電腦技術來舉個范例也不難。將技術與工具制造聯系在一起,使我們又開始懷念起那些被閑置的工具。“技術”一詞有一個古老的過去,它來源于兩個希臘字技藝和徽標。技藝是指那種技巧——“實用知識”參與決策的事情,而通過標識恐怕只是推理的一種形式,旨在了解其性質或從事物中得到我們所認可的東西,它實際上是由亞里士多德創造出來的,“技術”的意義最初指修辭學的技術技能——標志字面上的技藝。但是,在日常生活中把科學和技術的概念混為一談的做法并不少見。事實上,至少在英國,體育科學家就經常把他們的研究活動和本來該稱作體育技術的事物混為一談。目前,哲學領域的科學家早就明確區分了理論(科學)和應用(技術),但這一區分并沒應用到在對體育的自然研究中。在日常交談中,把科學和技術這兩個概念區分開來是比較困難的。事實上,體育科學家經常把他們的體育項目和確切的應該稱為“運動技術”的概念混為一談。當今的科學哲學家已經可以把理論學(即科學)和應用學(即技術)明確區分開來了,盡管在體育運動的理論科學領域,這兩個概念依舊難以區分。在此可以想象一下,如果醫藥領域和體育科技可以很簡單的獲得運用,通過理論知識到實踐性知識再到設備與材料的步驟,分別得出醫藥和體育的目的。如果以上都可以獲得實現的話,那么他們的顯著特征就應該是一個“目的--結果”的結構。科技就可以被認為是利用目的去得到一個被選擇好的結果。
三、小結
生物醫學技術與體育科學的發展關系問題是體育科學研究的一個范疇,運用邏輯思辨、哲學方法論等體育學研究方法,對生物醫學技術與體育科學的發展關系問題進行思考。
生物醫學技術分析:納米技術在生物醫學中的應用
摘 要 納米技術與生物化學、分子生物學整合將對21世紀的生物醫學產生深刻的影響。它將利用生物大分子進行物質的組裝、分析與檢測技術的優化、并將藥物靶向性與基因治療等研究引入微型、微觀領域，用納米生物技術檢測是否患有癌癥只用幾個細胞。
關鍵詞 納米技術；納米生物學；DNA納米技術
20世紀80年代才開始研究的納米技術在90年代獲得了突破性進展。最近美國《商業周刊》列出了21世紀可能取得重大突破的三個領域：一是生命科學和生物技術；二是從外星球獲取能源；三是納米技術。所謂納米技術(Nanotechnology)是指在小于100 nm的量度范圍內對物質和結構進行制造的技術，其實就是一種用單個原子、分子制造物質的科學技術［1］。納米技術在新世紀將推動信息技術、生物醫學、環境科學、自動化技術及能源科學的發展，將極大的影響人類的生活，衣、食、住、行、醫療等方面。本文將圍繞納米技術給21世紀的生物醫學可能帶來影響作一概述。
1 納米生物學的研究對象
有人把在納米尺度(水平)上研究生命現象的生物學叫做納米生物學。納米結構通常指尺寸在1 nm～100 nm范圍的微小結構。1納米等于10-9m，即1m的十億分之一。我們知道，細胞具有微米(10-6m)量級的空間尺度，生物大分子具有納米量級的空間尺度。在它們之間的層次是亞細胞結構，具有幾十到幾百納米量級的空間尺度。顯然在納米水平上研究生命現象的納米生物學，它的研究對象就是亞細胞結構和生物大分子體系。由于納米微粒的尺寸一般比生物體內的細胞、紅細胞小得多，這就為生物學研究提供了一個新的研究途徑即利用納米微粒進行細胞分離、疾病診斷，利用納米微粒制成特殊藥物或新型抗體進行局部定向治療等。
2 納米技術在生物醫學方面的應用
2.1 測量和控制生物大分子
納米技術與掃描探針顯微鏡(Scanning probe microscopes,SPMs)相結合，便具有了觀察、制造原子水平物質結構的能力，為生物醫學工作者提供了直接在亞細胞水平或分子水平研究生命現象的應用前景［2，3］。掃描探針顯微鏡是指利用掃描探針的顯微技術，常用的有掃描隧道顯微鏡(STM,它是Scanning Tunneling Microscope的簡稱)和 原子力顯微鏡(AFM,它是Atomic Force Microscope的簡稱)。STM的原理是利用電子隧道效應測量探針和樣品間微小的距離，又將探針沿樣品表面逐點掃描，從而得到樣品表面各點高低起伏的形貌。當探針和樣品表面間的距離非常近達到一個納米時，同時在它們之間施加適當電壓，在它們之間會形成隧道電流，這就是電子隧道效應。這時探針尖端便吸引材料的一個原子過來，然后將探針移至預定位置，去除電壓，使原子從探針上脫落。如此反復進行，便按設計要求“堆砌”出各種微型構件。
Hafner(1999)等［4］報道了碳納米管的制備方法，整個過程如同用磚頭蓋房子一樣。隧道電流的大小和探針與表面間的距離有關，因此通過隧道電流的測量可以確定這距離的值。STM觀測的樣品要有導電性，用AFM就沒有這種要求。AFM的原理是用探針的針尖去“觸摸”樣品表面，將探針沿表面逐點掃描，針尖隨著樣品表面的高低起伏作上下運動。用光學方法測量針尖這種上下運動，就可以得到樣品表面高低起伏的圖像。用AFM還可以測量分子間作用力的大小以及不同環境中分子間作用力大小的變化。掃描探針顯微鏡又是操作生物大分子的工具。用它們可以扭轉或拉伸生物大分子，從而研究單個生物大分子的運動學特性。STM和AFM在平行于樣品表面的方向上的空間分辨率達到0.1 nm。已知樣品中原子間距離的量級是0.1 nm ，所以STM和AFM的空間分辨率達到了分辨單個原子的水平。它的時間分辨率取決于要掃描的樣品范圍和像素點數目，用它們測量固定觀測點時，時間分辨率達到ns甚至ps，掃描一幅面積是10 nm×10 nm的樣品時，中等象素密度的時間分辨率約是1秒［5］。顯而易見，利用STM、AFM等技術，好象使用“納米筆”一樣，可以操縱原子分子，在納米石版印刷術中構造復雜的圖形和結構［6］。
2.2 磁性納米粒子的應用
德國學者報道了含有75%～80%鐵氧化物的超順磁多糖納米粒子(200～400 nm)的合成和物理化學性質［7］。將它與納米尺寸的SiO2相互作用，提高了顆粒基體的強度，并進行了納米磁性顆粒在分子生物學中的應用研究。試驗了具有一定比表面的葡聚糖和二氧化硅增強的納米粒子。在下列方面與工業上可獲得的人造磁珠作了比較：DNA自動提純、蛋白質檢測、分離和提純、生物物料中逆轉錄病毒檢測、內毒素清除和磁性細胞分離等。例如在DNA自動提純中，用濃度為25 mg/mL的葡聚糖 nanomag R和SiO2增強的納米粒子懸濁液，達到了≥300 ng/ μL的DNA型1～2 KD的非專門DNA鍵合能力。SiO2增強的葡聚糖納米粒子的應用使背景信號大大減弱。此外，還可以將磁性納米粒子表面涂覆高分子材料后與蛋白質結合，作為藥物載體注入到人體內，在外加磁場2125×103/π(A/m)作用下，通過納米磁性粒子的磁性導向性，使其向病變部位移動，從而達到定向治療的目的。例如10～50 nm的Fe3O4的磁性粒子表面包裹甲基丙烯酸，尺寸約為200 nm，這種亞微米級的粒子攜帶蛋白、抗體和藥物可以用于癌癥的診斷和治療。這種局部治療效果好，副作用少。
2.3 納米脂質體—仿生物細胞的藥物載體
脂質體（Liposome)是一種定時定向藥物載體，屬于靶向給藥系統的一種新劑型。20世紀60年代，英國Bangham AD首先發現磷脂分散在水中構成由脂質雙分子層組成的內部為水相的封閉囊泡，由雙分子磷脂類化合物懸浮在水中形成的具有類似生物膜結構和通透性的雙分子囊泡稱為脂質體。70年代初，Rahman YE等在生物膜研究的基礎上，首次將脂質體作為酶和某些藥物的載體。納米脂質體作為藥物載體的優點：①由磷脂雙分子層包封水相囊泡構成，與各種固態微球藥物載體相區別，脂質體彈性大，生物相容性好；②對所載藥物有廣泛的適應性，水溶性藥物載入內水相，脂溶性藥物溶于脂膜內，兩親性藥物可插于脂膜上，而且同一個脂質體中可以同時包載親水和疏水性藥物；③磷脂本身是細胞膜成分，因此納米脂質體注入體內無毒，生物利用度高，不引起免疫反應；④保護所載藥物，防止體液對藥物的稀釋，及被體內酶的分解破壞。納米粒子將使藥物在人體內的傳輸更為方便。對脂質體表面進行修飾，譬如將對特定細胞具有選擇性或親和性的各種配體組裝于脂質體表面，以達到尋靶目的。以肝臟為例，納米粒子—藥物復合物可通過被動和主動兩種方式達到靶向作用：當該復合物被Kupffer細胞捕捉吞噬，使藥物在肝臟內聚集，然后再逐步降解釋放入血液循環，使肝臟藥物濃度增加，對其它臟器的副作用減少，此為被動靶向作用；當納米粒子尺寸足夠小約100～150 nm且表面覆以特殊包被后，便可以逃過Kupffer細胞的吞噬，靠其連接的單克隆抗體等物質定位于肝實質細胞發揮作用，此為主動靶向作用。用數層納米粒子包裹的智能藥物進入人體后可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織。
納米粒作為輸送多肽與蛋白質類藥物的載體是令人鼓舞的，這不僅是因為納米粒可改進多肽類藥物的藥代動力學參數，而且在一定程度上可以有效地促進肽類藥物穿透生物屏障。納米粒給藥系統作為多肽與蛋白質類藥物發展的工具有著十分廣泛的應用前景［8］。
2.4 DNA納米技術和基因治療
DNA納米技術(DNA nanotechnology)是指以DNA的理化特性為原理設計的納米技術，主要應用于分子的組裝。DNA復制過程中所體現的堿基的單純性、互補法則的恒定性和專一性、遺傳信息的多樣性以及構象上的特殊性和拓撲靶向性，都是納米技術所需要的設計原理［9］。現在利用生物大分子已經可以實現納米顆粒的自組裝。將一段單鏈的DN斷連接在13 nm直徑的納米金顆粒A表面，再把序列互補的另一種單鏈DN斷連接在納米金顆粒B表面，將A和B混合，在DNA雜交條件下，A和B將自動連接在一起［10］。利用DNA雙鏈的互補特性，可以實現納米顆粒的自組裝。利用生物大分子進行自組裝，有一個顯著的優點：可以提供高度特異性結合，這在構造復雜體系的自組裝方面是必需的。
美國波士頓大學生物醫學工程所Bukanov等研制的PD環(PD?loop)(在雙鏈線性DNA中復合嵌入一段寡義核苷酸序列)比PCR擴增技術具有更大的優越性；其引物無須保存于原封不動的生物活性狀態，其產物具有高度序列特異性，不像PCR產物那樣可能發生錯配現象。PD環的誕生為線性DNA寡義核苷酸雜交技術開辟了一條嶄新的道路，使從復雜DNA混合物中選擇分離出特殊DN段成為可能，并可能應用于DNA納米技術中［11］。
基因治療是治療學的巨大進步，質粒DNA插入目的細胞后，可修復遺傳錯誤或可產生治療因子(如多肽、蛋白質、抗原等)。利用納米技術，可使DNA通過主動靶向作用定位于細胞；將質粒DNA濃縮至50～200 nm大小且帶上負電荷，有助于其對細胞核的有效入侵；而質粒DNA插入細胞核DNA的位點則取決于納米粒子的大小和結構。此時的納米粒子是DNA本身所組成，但有關它的物理化學特性尚有待進一步研究［12］。
2.5 納米細胞分離技術
20世紀80年代初，人們開始利用納米微粒進行細胞分離，建立了用納米SiO2微粒實現細胞分離的新技術。其基本原理和過程是：先制備SiO2納米微粒，尺寸大小控制在15～20 nm,結構一般為非晶態，再將其表面包覆單分子層。包覆層的選擇主要依據所要分離的細胞種類而定，一般選擇與所要分離細胞有親和作用的物質作為附著層。這種SiO2納米粒子包覆后所形成復合體的尺寸約為30 nm。第二步是制取含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液，適當控制膠體溶液濃度。第三步是將納米SiO2包覆粒子均勻分散到含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液中，再通過離心技術，利用密度梯度原理，使所需要的細胞很快分離出來。此方法的優點是：①易形成密度梯度；②易實現納米SiO2粒子與細胞的分離。這是因為納米SiO2微粒是屬于無機玻璃的范疇，性能穩定，一般不與膠體溶液和生物溶液反應，既不會沾污生物細胞，也容易把它們分開。
3 發展趨勢
跨入21世紀后的未來二三十年，數學、化學、物理學等基礎研究的進展將擴大納米技術的應用范圍，使納米技術與物醫學的聯系更加緊密，其發展趨勢是：①生體相容性好的鈦合金等物質將逐步開發［13］，并進入臨床試驗階段；②納米技術與分子生物學技術相結合，將有助于揭示生物大分子各級結構與功能的破譯；③納米生物技術將使藥物的生產實現低成本、高效率、自動化、大規模，而藥物的作用將實現器官靶向化［14］； ④納米生物技術應用于分子之間的相互作用、分子復合物和分子組裝的研究將在病毒結構、細胞器結構細節和自身裝配機制上取得進展［15］；⑤納米生物技術將使生物活性分子診斷、檢測技術向微型、微觀、微量、微創或無創、快速、實時、遙距、動態、功能性和智能化的方向發展。
有人預測，二三十年后，醫生使用納米技術只需檢測幾個細胞就能判斷出病人是否患上癌癥或判斷胎兒是否有遺傳缺陷。婦女懷孕8個星期左右，在血液中開始出現非常少量的胎兒細胞，用納米微粒很容易將這些胎兒細胞分離出來進行診斷。在人工器官外面涂上納米粒子可預防移植后的排異反應。使用納米技術的新型診斷儀器只需檢測少量血液，就能通過其中的蛋白質和DNA診斷出各種疾病。
生物醫學技術分析:生物醫學在體成像技術作用
本文作者：蘭海云 汪愛勤 尹文 單位：第四軍醫大學基礎醫學部 第四軍醫大學基礎醫學部 第四軍醫大學中心實驗室
在體成像技術的發展及成像策略的不斷提高，能夠在活的生物體內揭示細胞和分子水平的諸多細微變化，有助于在生物整體、真實的體內環境中高時間分辨率地研究生命過程。針對某一生物過程的帶有光學標記的報告基因已被廣泛應用于細胞生物學的研究，近年來正被更多地用于在活的動物模型中探究人體內生理機能和疾病的生物學過程。利用熒光蛋白、螢光素酶基因等生物材料標記細胞、病原體和基因，早已被證實是一種在體內設置“檢測器”、體外直觀檢測的非常可行的策略[1]。
1在體生物發光成像技術的原理
通過生物技術將構建的以螢光素酶基因作為標記基因的載體（重組原核表達質粒、重組真核表達質粒或重組病毒），經轉化、轉染或感染并篩選得到重組病原菌、細胞（如免疫細胞、腫瘤細胞、胚胎干細胞等）或重組病毒（如腺病毒、慢病毒、逆轉錄病毒等）用于轉入小動物；或是將含螢光素酶及調控序列的載體線性化后經顯微注射等技術穩定整合于小動物基因組制備轉基因動物[2－4]。標記基因的表達可通過多種調控元件進行調控，如靶基因的啟動子和增強子等；標記的方法因研究領域、研究目的和實驗策略的不同而各異[4]，但最終都是在體內組織如血液、肝臟、腦、脾、腎等靶部位因特定生物過程的發生而伴隨產生有酶活性的螢光素酶。在注入底物即螢光素的條件下，螢光素酶催化底物反應產生特定波長的光信號，通過成像系統可以直觀檢測到光信號的產生及變化，實時反映體內發生的生物過程，如基因的調控表達、信號傳導、蛋白質之間的相互作用、細胞增殖與分化等。因此，在體生物發光成像技術可廣泛應用于分子生物學、細胞生物學、病毒學與免疫學、腫瘤學等研究領域[5－8]。
2在體生物發光成像技術的應用
2．1標記于腫瘤細胞、免疫細胞、胚胎干細胞等，轉入體內后進行成像
螢光素酶基因作為一種報告基因，最初應用于體外培養細胞內目的基因的表達研究。在體生物發光成像技術的發展，使其能夠應用于在體組織細胞的表達研究[9]。螢光素酶是一類生物發光酶，1種細胞可同時被2種具有不同底物的螢光素酶標記。例如其一可由一組成性穩定表達的啟動子驅動，作為內參，反應細胞數量的變化；另一螢光素酶由要研究的組織特異性啟動子驅動，其發光信號的變化，在消除細胞數量變化的影響后就可反映特定的啟動子在動物體內的表達活性[10－11]。
2．1．1腫瘤及抗腫瘤研究在體生物發光成像技術可直接實時地監測各種癌癥模型中腫瘤的生長和轉移，并可對癌癥治療中癌細胞的變化進行實時觀測和評估，能夠無創傷地定量檢測小鼠整體的原位瘤、轉移瘤及自發瘤。Klerk等[12]研究證實了利用此技術測量腫瘤負荷具有很高的性。Minn等[13]應用該技術進行了乳腺癌肺轉移相關基因的研究，他們構建能夠表達熒光蛋白、螢光素酶的反轉錄病毒載體，并穩定轉染已獲得的不同亞群腫瘤細胞，先通過熒光激活細胞分選術篩選同一亞群內具有相同轉染效果（穩定表達外源蛋白即熒光蛋白和螢光素酶，且水平一致）的細胞，并尾靜脈注射免疫缺陷小鼠，通過檢測生物發光的部位和大小，評價不同亞群腫瘤細胞向肺部位的轉移情況及其轉移能力，再通過檢測細胞內各基因的表達差異來分析肺轉移相關基因。Gupta等[15－16]又用相似的方法來研究乳腺癌腦轉移相關基因及乳腺癌肺轉移過程中分化基因介導的腫瘤再起始，結果再次顯示了生物發光成像技術應用于腫瘤及癌轉移機理研究領域的優越性。
2．1．2抗腫瘤免疫及腫瘤細胞疫苗的研究用帶有生物發光標記基因的小鼠淋巴細胞或基因修飾的腫瘤細胞疫苗，可以檢測放射及化學藥物治療的效果，并可尋找在腫瘤骨髓轉移及抗腫瘤免疫治療中復雜的細胞機制。Cayeux等[17]用螢光素酶基因標記基因修飾的腫瘤細胞疫苗來免疫小鼠，而用另一種底物不同于前者的5，6－carboxy－succinimidyl－fluorescein標記該小鼠內一種與腫瘤相關的免疫細胞，通過2種不同的標記研究了基因修飾的腫瘤細胞疫苗免疫小鼠后抗原遞呈、免疫細胞之間的相互作用及不同免疫細胞在體內免疫過程中的作用。
2．1．3藥物促腫瘤細胞凋亡的研究當螢光素酶與抑制多肽以融合蛋白形式在哺乳動物細胞中表達，產生的融合蛋白無螢光素酶活性，細胞不能發光，而當細胞發生凋亡時，活化的caspase－3在特異識別位點切去抑制多肽，螢光素酶活性得到恢復，由此可用于觀察活體動物體內的細胞凋亡相關事件。細胞凋亡時被激活的caspase－3／7與DEVD－氨基螢光素（aminoluciferin）特異結合而被酶解為氨基螢光素，它可被螢光素酶識別而產生生物發光信號。Liu、Hickson等[18－19]利用這一現象設計的細胞凋亡檢測方法均能夠以極低的DEVD－氨基螢光素量獲得較強的發光強度，因而這一方法可用于評價TNFα（α腫瘤壞死因子）、FasL、TRAIL（TNF相關促凋亡配體）等因素針對腫瘤的治療效果。
2．1．4胚胎干細胞及再生醫學的研究胚胎干細胞在再生醫學領域具有應用前景，然而注入活機體的胚胎干細胞及其分化細胞尚存在顯著的細胞死亡、畸胎瘤的形成、宿主免疫排斥反應等障礙。應用在體生物發光成像技術，可對胚胎干細胞本身及其在注入機體后的存活、增殖、分化等生物事件的發生機理進行深入研究，從而使上述諸多問題得以解決[20]。
2．2標記病原微生物，用于研究感染致病機制、轉移途徑及宿主免疫反應等
在感染性疾病的研究中，在體生物發光成像技術的應用，不僅可以提供疾病進程中觀測病原體在動物體內的寄居部位、數量變化及對外界因素的反應等實時變化信息，而且更有助于揭示感染體內病原體逃逸宿主防御的機制[21]。對病原體感染過程非侵入性的檢測能夠對疾病進程實時地提供新的信息，且有可能發現新的感染位點[22]。Lucker等[23－26］以螢光素酶基因標記HSV－1（單純皰疹病毒）并分別侵染Ⅰ類干擾素受體缺失、Ⅱ類干擾素受體缺失、Ⅰ和Ⅱ類干擾素受體均缺失的小鼠，可觀察到HSV－1對不同干擾素受體缺失小鼠的肝臟、肺、脾、淋巴結的侵襲，及病毒從血液系統進入神經系統的過程，從而證實了不同干擾素在HSV－1感染中所起的不同的作用。Lucker等[27]針對痘苗病毒的類似研究也證實，不同干擾素在機體感染過程中各自和協同發揮的重要作用。#p#分頁標題#e#
2．3標記于基因治療載體用于探究基因治療機制和評價治療效果
將一個或多個目的基因安全有效地轉入體內靶細胞可用于基因治療，應用螢光素酶基因作為報告基因構建載體，觀察目的基因是否能夠在試驗動物體內持續高效和特異性表達。這種非侵入方式具有容易準備、低毒性及輕微免疫反應的優點。螢光素酶基因也可以插入脂質體包裹的DNA分子中，用來觀察脂質體為載體的DNA運輸和基因治療情況。Smith等[28]已經運用該技術進行了HSV作為肝臟疾病基因治療載體的可行性研究。Chou等[29]將帶有螢光素酶基因標記的穩定表達肝細胞癌抗原的質粒轉入沙門菌減毒株，并作為疫苗口服免疫模型小鼠，在體成像顯示了體內沙門菌成功表達抗原和沙門菌作為活菌疫苗在體內的清除過程。
2．4蛋白質間相互作用、信號轉導等的研究
蛋白片段互補策略廣泛用于研究細胞內蛋白質間的相互作用，這種策略在借助在體生物發光成像技術后就可以被運用到活體動物內，以非侵入、可量化、實時地顯示蛋白質之間的相互作用[31]。在動物體內直接觀察細胞中或活體動物體內2種蛋白質的相互作用，可將Firefly螢光素酶（Fluc）的N端與C端分離開，分別與2個可能產生相互作用的目的蛋白相連，并使2組蛋白由不同的載體分別誘導表達。在體的細胞內若2個目的蛋白能靠近并結合形成完整的Fluc，則會產生發光信號。Andrea等[32]建立了一種轉基因報告小鼠，由特異啟動子（TgG4F（＋／－））及其轉錄反式作用因子多聯體蛋白Gal4進行調控。將融合了Gal4BD的p53和融合了VP16的TAg的病毒載體共轉入該小鼠的肝臟細胞，在小鼠肝臟部位觀察到了明顯的發光信號，顯示p53與TAg的結合引發Gal4BD與VP16結合，結合的多聯蛋白順利與啟動子TgG4F（＋／－）結合，進而引發Fluc在肝臟組織的表達。
2．5體內干擾RNA及DNA疫苗的研究
目前RNA干擾技術已經發展成為一種體外轉錄后沉默基因的方法，在體內RNA干擾的轉錄后表達沉默可以引起各種廣泛的生物學效應，因此生物發光在體成像技術有力地促進了體內RNA干擾的研究和在體內利用RNA干擾技術進行其他疾病機理及生物治療的探索。McCaffrey[33]等通過將表達螢光素酶的真核表達載體與針對螢光素酶基因設計的雙鏈小干擾RNA（siRNA）共注射成年小鼠，與對照組比較，前者的熒光強度明顯減弱，表明針對性的雙鏈siRNA明顯起到抑制基因表達的作用。他們還構建表達功能性小發夾RNA（shRNA）的真核表達載體，與表達螢光素酶的載體共注射成體小鼠，與對照組相比，同樣觀察到長時程后熒光強度明顯減弱。RNA干擾技術成功用于臨床治療須保障雙鏈siRNA有效轉入體內并維持有效的濃度，而借助在體生物發光成像技術則可便捷地評價雙鏈siRNA運送方法的效果。Takeshita等[34－36]已利用該技術分別對各自所設計的不同的雙鏈siRNA運送方法進行了的評價，并發現合理的運送方法，如雙鏈siRNA與某些小分子化合物的連接修飾與單獨的注射雙鏈siRNA相比，前者能使雙鏈siRNA在體內較長時間內不被降解。RNA干擾可作為傳統DNA疫苗的補充，被用以在體內消除免疫抑制因子表達。DNA疫苗的效應常常因相關的信號轉導途徑下調該獲得性免疫反應而受到限制。因此，免疫抑制性的信號途徑的沉默將是DNA疫苗效能得到加強的一種極有潛力的策略。Huang等[37]應用在體生物發光技術所做的研究結果顯示，皮下注射編碼shRNA的DNA，可以作為體內基因沉默和一種能夠有效提高DNA疫苗效果的手段。
2．6標記于轉基因載體建立轉基因動物模型
2．6．1基因表達動物模型為研究目的基因是在何時、何種刺激下表達的，可將螢光素酶基因插入目的基因啟動子的下游，并穩定整合于實驗動物染色體中，形成轉基因動物模型。可用于研究動物發育過程中特定基因的時空表達情況，觀察藥物誘導特定基因表達及其他生物事件引起的相應基因表達或關閉。Chen等[37]將受胰島素調控啟動子調控表達螢光素酶的轉基因小鼠制成糖尿病小鼠模型，采用在體生物發光成像技術證實了肝臟組織中含有可生成胰島素的細胞。研究結果也證實了在轉錄調控序列和反式轉錄因子與目的基因相同的情況下，螢光素酶的表達水平及底物發光強度能夠真實反映目的基因的表達狀況。目前對于調控多藥耐藥性基因－1（mdr－1a）表達的關鍵因子和胞內微環境的機制尚不明了，使多藥耐藥性依然成為對癌癥患者成功化療的一大障礙。為深入研究mdr－1a在體內組織中轉錄調控的機制，Long等[38]通過胚胎干細胞同源重組、遺傳雜交的手段構建了基因型為mdr－1a＋／Fluc的轉基因小鼠（野生型基因型為mdr－1a＋／＋）。mdr－1a＋／Fluc中Fluc已置于mdr－1a開放讀碼框中，其表達受內源性mdr－1a啟動子及相應各種反式作用因子的調控，Western印跡等不同方法均驗證了該模型mdr－1a的表達量與Firefly螢光素酶蛋白表達、發光強度成正比。該小鼠體內Fluc的表達與mdr－1a的表達在時間、所處的微環境均一致，可作為研究各種因素下mdr－1a表達調控的理想的動物模型。類似的研究所建立的模型能彌補體外細胞培養不能提供的特定基因表達的真實微環境的缺點，也能彌補基因敲除小鼠存在的代償效應等不足[39]。
2．6．2各種疾病模型研究者根據研究目的，將致病基因、病毒及細菌進行螢光素酶標記，轉入動物體內形成所需的疾病模型，包括免疫系統疾病、感染疾病等。除可提供靶基因在體內的實時表達和對候選藥物的反應，還可以用來評估候選藥物和其他化合物的毒性，為藥物在疾病中的作用機制及效用提供研究方法。Hsieh[40－41]等將受前列腺特異性抗原啟動子調控表達螢光素酶轉基因小鼠（sPSA－Luc），與前列腺癌轉基因模型小鼠TRAMP雜交，經檢測篩選得到的子代小鼠TRAMP－Luc隨前列腺特異性抗原的表達穩定產生螢光素酶。因此，該小鼠借助在體生物發光成像技術已被成功地用于前列腺癌的發生及轉移研究。
3在體生物發光成像技術的發展趨勢
近年來針對生物發光成像過程的三大要素，即螢光素酶、底物、成像設備的研究不斷取得新進展。研究人員應用遺傳學手段，在基因、蛋白水平對各種螢光素酶的分子結構進行改造，獲得了新的螢光素酶，使底物發光的波長發生明顯的紅移（使發光波長變長）從而減少了光穿透機體組織時的光吸收，提高了螢光素酶在哺乳動物細胞中表達的穩定性，改變了酶在組織細胞中的半衰期。與原先的天然螢光素酶相比，通過改進得到的各種螢光素酶在體內表達的穩定性、催化底物的反應等方面得到了優化，不僅增加了發光輸出量，更能適應不同時程的成像方式[42－46]。各種螢光素酶與體內不同組織對應著獨特的動力學特征。研究人員試圖通過優化發光底物轉入體內的方式、底物在體內的釋放方式、對細胞內底物攝入相關蛋白加以限制，以及對底物本身的結構加以改造等手段，來滿足體內不同時程生物過程的動態性研究。Kheirolomoom等[47]分別用長循環脂質體和溫度敏感型脂質體包裹螢光素并轉入體內。前者螢光素酶以一定水平正常表達時發光依賴于體內螢光素的釋放。今后，通過選擇合適的包裹材料（如設計合理的脂質體）或其他運載方式（如植入性微滲透泵[48]），可能使底物在體內較長時間內保持相對恒定的釋放速率，使底物濃度保持穩定。#p#分頁標題#e#
這樣，發光強度在一定時間內取決于螢光素酶的表達水平。而溫度敏感型脂質體可以被直接運到腫瘤組織中，通過一次超聲熱處理，可以引發一次爆發式快速釋放，這種溫度敏感型脂質體則可以實現定點轉入和定點釋放底物。螢光素酶底物進入細胞的過程受細胞內某些自身蛋白的影響。Zhang等[49]發現ABC家族的乳腺癌耐性蛋白（ABCG2／BCRP）作為重要的膜轉運蛋白，其表達水平和特異結構域的功能影響螢光素的攝入過程，因而影響生物發光信號的產出。這就提示，一方面可通過降低或消除此類蛋白對底物進入靶細胞的影響，使發光信號相對地較大化，另一方面可被用于高效篩選針對ABCG2／BCRP的藥物抑制劑[50]。從某些細菌得到的螢光素酶基因均位于一個操縱子內，且操縱子內除含有螢光素酶基因外，還包含整套底物合成酶基因，因此，將該操縱子穩定轉入的細菌侵染動物模型后，無需外源底物就能實現成像[51]。若將這類細菌來源的螢光素酶應用于動物細胞，可能更有利于在體發光成像。但這是否可行，目前尚未見相關報道。成像設備方面的進展不僅提高了設備的靈敏度，而且使功能更加，數據采集與分析更加。例如，已經應用三維成像技術使信號定位更明確、分析更。隨著在體生物發光成像技術的逐步成熟，必將使其更廣泛地應用于生物醫學研究的各領域。
生物醫學技術分析:生物醫學圖像信息技術論文
1生物醫學圖像信息技術的應用分析
目前，生物醫學圖像信息技術主要包括生物醫學圖像傳輸、圖像管理、圖像分析、圖像處理幾方面。這些技術同以前的圖像技術、醫學影像技術都有一定的聯系，其在涵蓋以往圖像技術、醫學影像技術的同時，也具有自身的特點，與傳統的圖像和醫學影像技術相比，生物醫學圖像信息技術更加強調在醫學圖像信息收集、處理等過程中應用計算機信息技術。
1.1圖像成像
從本質上來看，生物醫學圖像成像技術（下文簡稱“圖像成像技術”）與醫學影像技術的區別并不大，僅僅是人們更習慣將其表達為醫學影像。生物醫學圖像成像技術的研究內容為：利用染色方法和光學原理，清晰地表達出機體內的相關信息，并將其轉變為可視圖像。圖像成像技術研究的圖像對象有：人體的標本攝影圖像、觀察手繪圖像、斷層圖像（如ECT、CT、B超、紅外線、X光）、臟器內窺鏡圖像、激光共聚焦顯微鏡圖像、活細胞顯微鏡圖像、熒光顯微鏡圖像、組織細胞學光學顯微鏡圖像、基因芯片、核酸、電泳等顯色信息圖像、納米原子力顯微鏡圖像、超微結構的電子顯微鏡圖像等等。
圖像成像技術主要包括2個部分：現代數字成像和傳統攝影成像。通常可采用掃描儀、內窺鏡數碼相機、采集卡、數字攝像機等進行數字圖像采集；顯微圖像采集則可應用光學顯微鏡成像設備及超微結構電子顯微鏡成像設備；特殊光源采集可應用超聲成像儀器、核磁共振成像儀器及X光成像設備。目前，各種醫學圖像技術的發展都十分迅速，特別是MRI、CT、X線、超聲圖像等技術。在醫學圖像成像技術方面，如何提高成像分辨力、成像速度、拓展成像功能，尤其是在生理功能及人體化學成分檢測方面，已經引起了相關領域的重視。
1.2圖像處理
生物醫學圖像處理技術，是指應用計算機軟硬件對醫學圖像進行數字化處理后，進行數字圖像采集、存儲、顯示、傳輸、加工等操作的技術。圖像處理是對獲取的醫學圖像進行識別、分析、解釋、分割、分類、顯示、三維重建等處理，以提取或增強特征信息。目前，醫學領域所應用的圖像處理技術種類較多，統計學知識、成像技術知識、解剖學知識、臨床知識等的圖像處理均得到了較快的發展。另外，人工神經網絡、模糊處理等技術也引起了圖像處理研究領域的廣泛重視。
1.3圖像分析及圖像傳輸
生物醫學圖像分析技術，是指測量和標定醫學圖像中的感興趣目標，以獲取感興趣目標的客觀信息，建立相應的數據描述。通過計算測定的圖像數據，可揭示機體功能及形態，推斷損傷或疾病的性質及其與其他組織的關系，進而為臨床診斷、治療提供依據。生物醫學圖像傳輸技術，是指應用網絡技術，在互聯網上開展醫學圖像信息的查詢與檢索。通過網上傳輸圖像，在異地間進行圖像信息交流，可實現遠程診斷。同時，在院內通過PACS（數字醫學系統—醫學影像存檔與通信系統），也能在醫院內部實現醫學圖像的網絡傳遞。
2總結
醫學圖像不僅形象、直觀，同時信息含量也十分豐富，且易于存儲和觀察，所以其在現代醫學實驗研究及臨床診斷中所占據的地位也日益重要。生物醫學圖像信息技術的應用水平也已經成為衡量現代醫院醫療設備現代化水平和診斷水平的一個重要標志，由此可見生物醫學圖像信息技術在生物醫學領域的發展前景必將十分樂觀。
作者：郜璐璐 單位：山西醫科大學醫學影像學系
