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生物醫(yī)學(xué)技術(shù)分析:生物醫(yī)學(xué)虛擬儀器技術(shù)分析
1生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)課程設(shè)置及教學(xué)現(xiàn)狀
我校自2003年開辦生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)以來,根據(jù)醫(yī)科院校特點,以為醫(yī)療和醫(yī)學(xué)研究服務(wù)為目的,培養(yǎng)能將醫(yī)學(xué)與工程技術(shù)相結(jié)合,從事醫(yī)學(xué)影像、醫(yī)療電子儀器和計算機技術(shù)的研發(fā)、操作和管理工作,并且能夠開展生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科研究的人才[1]。該專業(yè)主要學(xué)習(xí)生命科學(xué)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)及信息圖像傳輸、處理等有關(guān)的基礎(chǔ)理論知識以及醫(yī)學(xué)與工程技術(shù)相結(jié)合的科學(xué)知識,設(shè)置的主干課程有:“電路原理”“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”“微機原理”“生物醫(yī)學(xué)傳感器”“醫(yī)療儀器原理”“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字信號處理”“生物醫(yī)學(xué)信號檢測與處理”“單片機原理與接口技術(shù)”等。另外憑借醫(yī)學(xué)院校的優(yōu)勢還開設(shè)了一些醫(yī)學(xué)方面的基礎(chǔ)課,生理學(xué)、人體解剖等。為了提高教學(xué)質(zhì)量,更好的達到教學(xué)效果,所開設(shè)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(xué)在大學(xué)教育中是必要手段。幾乎每門課的實驗教學(xué)都需要用到各種各樣的電子儀器,主要包括示波器、信號發(fā)生器等。在傳統(tǒng)教學(xué)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(jié)構(gòu)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(xué)儀器來供教學(xué)使用,這些儀器設(shè)備還需要不斷更新維護,教學(xué)成本比較高。另外,在醫(yī)學(xué)院校對于和醫(yī)學(xué)相關(guān)的專業(yè)課程很多實驗實際操作比較困難,效果不理想。中國的醫(yī)學(xué)教育資源本身很緊張,另外醫(yī)院的設(shè)備多是大型設(shè)備,體積龐大,價格昂貴,操作使用復(fù)雜,臨床使用要求高,一般院校很難滿足大型醫(yī)療設(shè)備的教學(xué)使用需要。因此,在醫(yī)學(xué)院校的教學(xué)中就出現(xiàn)很多問題,比如醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)中的人體生理參數(shù)采集等演示效果不好,所以,傳統(tǒng)的醫(yī)療儀器教學(xué)只能偏重于理論講解,不夠生動,即使有個別實驗?zāi)＞?其教學(xué)效果也不理想。在當(dāng)前學(xué)校經(jīng)費較少的情況下,如果大量增加常規(guī)儀器、儀表的配置,學(xué)校財力難以支付。這樣容易造成實驗教學(xué)效果不理想,對提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)創(chuàng)新及實踐能力都有一定影響。隨著現(xiàn)代測試功能和計算機技術(shù)的密切結(jié)合,出現(xiàn)的虛擬儀器技術(shù)可以幫助我們克服一些硬件上不能解決的難題,彌補傳統(tǒng)儀器教學(xué)的不足。
2虛擬儀器在課程中的應(yīng)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(chǔ)上,由用戶自己設(shè)計定義虛擬的操作面板,測試功能由軟件來實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)[2]。其實質(zhì)是以計算機為核心的儀器系統(tǒng)與電腦軟件技術(shù)的密切結(jié)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(xiàn)傳統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng),完成對信號數(shù)據(jù)的運算、分析處理等,可以多種形式輸出結(jié)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(shè)備來完成不同要求的測試。虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器沒有的性能高、擴展性強、開發(fā)時間短、開發(fā)成本低等優(yōu)點,具有很強的靈活開放性。不同領(lǐng)域的科學(xué)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(xué)和生物醫(yī)學(xué)等世界范圍的眾多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)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(fā)工具,將功能強大的圖形化設(shè)計平臺LabVIEW與相關(guān)硬件結(jié)合應(yīng)用于教學(xué)上,能夠使傳統(tǒng)理論教學(xué)與實際有效結(jié)合,幫助學(xué)生完成從理論到實踐的學(xué)習(xí)。LabVIEW軟件平臺結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡等相關(guān)硬件可以開發(fā)出示波器、信號發(fā)生器等常用的電子儀器,不僅可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器且擺脫了傳統(tǒng)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(yīng)用在教學(xué)中極大提高了教學(xué)效率,已經(jīng)逐漸成為一種新的手段。
2.2在醫(yī)療儀器教學(xué)中應(yīng)用
“醫(yī)學(xué)儀器原理”是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課。該課程涉及了醫(yī)學(xué)和電子學(xué)、計算機、信號處理、傳感器技術(shù)等方面的知識,是一門實踐性很強的科目。作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生,要掌握常見的醫(yī)療儀器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理,而且還要具有一定的創(chuàng)新思想和科研水平,有開發(fā)和設(shè)計高水平的醫(yī)療電子儀器的素質(zhì)[5]。因此做好實驗教學(xué)是學(xué)生提高學(xué)生實驗水平和綜合能力的關(guān)鍵。醫(yī)學(xué)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(xué)內(nèi)容,包括了人體血壓信號、心電、體溫、呼吸、脈搏等生理參數(shù)的測量。生物醫(yī)學(xué)信號由傳感器轉(zhuǎn)變成電信號,因為人體生理信號比較微弱要先經(jīng)過信號的放大、濾波等預(yù)處理,再進入數(shù)據(jù)采集卡。信號通過數(shù)據(jù)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(xiàn)對數(shù)據(jù)的各種分析,包括數(shù)值分析、頻譜分析等,再通過儀器軟面板把結(jié)果顯示在電腦上。我們以人體呼吸測量為例,這種設(shè)備一般只在醫(yī)院常見,用于教學(xué)中的儀器基本上沒有。因此講過理論原理后,學(xué)生不能夠真正透徹的明白,無法滿足教學(xué)上的需要。我們利用少量硬件設(shè)計結(jié)合LabVIEW軟件編程構(gòu)建了一個人體呼吸測量系統(tǒng),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(huán)節(jié),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(xué)生教學(xué)取得了很好的效果,同學(xué)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(xué)習(xí)新的軟件技術(shù),擴展知識面。在LabVIEW環(huán)境下進行實驗教學(xué)只需要根據(jù)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(wù),即節(jié)省了實驗成本,又利于實驗設(shè)備更新,讓 教師和學(xué)生脫離了傳統(tǒng)教學(xué)儀器功能單一的框框,更重要的是可以充分提高學(xué)生積極性和發(fā)揮創(chuàng)造性,像搭積木一樣,根據(jù)不同的測試需要,在計算機上構(gòu)建一個基于虛擬儀器技術(shù)的測試測量裝備,這樣做還能夠充分的節(jié)省高校技術(shù)資源[6]。
2.3在信號處理類課程教學(xué)中應(yīng)用
生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)設(shè)置的信號處理類課程主要有:“數(shù)字信號處理”“信號與系統(tǒng)”“生物醫(yī)學(xué)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(dǎo)公式或證明算法,學(xué)生沒有直觀印象,無法把函數(shù)公式與實際波形相聯(lián)系,理解起來非常困難,從而很大程度的影響了教學(xué)效果。我們以“數(shù)字信號處理”課程為例作一簡單介紹。“數(shù)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(xué)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(shù)學(xué)函數(shù)庫組成,包含小波變換、濾波器設(shè)計、時頻分析、圖像處理等工具包,將信號處理的各種功能轉(zhuǎn)化為VI函數(shù),給使用者提供了方便、簡單的編程途徑,從函數(shù)庫調(diào)用這些現(xiàn)成的VI函數(shù)就可以迅速完成信號處理。學(xué)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(shù)對結(jié)果的影響。在數(shù)字信號處理教學(xué)中濾波器是重點知識,也是教學(xué)難點。在以往的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍對于濾波器的作用弄不明白,另外根據(jù)學(xué)習(xí)的理論知識怎樣設(shè)計出有實際應(yīng)用價值的數(shù)字濾波器也不清楚。在講授濾波器時,在LabVIEW中信號處理函數(shù)面板中的濾波基本函數(shù)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(shè)計,還可以同時顯示多個濾波器的濾波結(jié)果,這種學(xué)習(xí)方式簡單明了,學(xué)生很容易理解抽象的概念從而掌握所學(xué)知識。另外LabVIEW圖形化的編程語言有助于學(xué)生在比較短的時間內(nèi)開發(fā)出相對復(fù)雜的數(shù)字信號處理程序,增加了同學(xué)們的自信,提高了其學(xué)習(xí)積極性。虛擬儀器技術(shù)強大的功能可以使其對學(xué)生開展形象、直觀的教學(xué)方式,靈活的應(yīng)用于教學(xué)中,不僅可以幫助學(xué)生深刻領(lǐng)會抽象的理論知識,扎實掌握所學(xué)知識,同時還可以提高他們的學(xué)習(xí)興趣,達到教學(xué)效果。
3小結(jié)
虛擬儀器的出現(xiàn)是測試領(lǐng)域的一次革命,是儀器領(lǐng)域一個新的風(fēng)向標,它使現(xiàn)代測試測量系統(tǒng)功能越來越強大,且更加的靈活高效、經(jīng)濟,高等教育領(lǐng)域也正在汲取著這種優(yōu)勢,壯大著它的發(fā)展。實踐證明在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的教學(xué)中引入虛擬儀器技術(shù),不僅能夠使教學(xué)內(nèi)容和時展、科學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合,而且可以有效促進師生的教學(xué)互動,給學(xué)生極大地參與感,對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和動手綜合能力都有幫助。隨著生物醫(yī)學(xué)和電子信息技術(shù)、虛擬技術(shù)的不斷發(fā)展,生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的教學(xué)改革與研究任重而道遠,如何使高校培養(yǎng)出具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才需要我們不斷努力探索。
生物醫(yī)學(xué)技術(shù)分析:體育科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)技術(shù)論文
一、運動醫(yī)學(xué)的發(fā)展極限問題
想挑戰(zhàn)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(yīng),筆者簡單概括了一下《赫西奧德和埃斯庫羅斯》中關(guān)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(yī)學(xué)的道德局限。以此總結(jié)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(yī)學(xué),特別是運動醫(yī)學(xué)這兩方面的自然局限。
二、生物醫(yī)學(xué)技術(shù)與體育科學(xué)的發(fā)展
把現(xiàn)代社會實踐歸結(jié)為科學(xué)問題很容易,同樣,設(shè)想一種特定的科學(xué)技術(shù),例如電腦技術(shù)來舉個范例也不難。將技術(shù)與工具制造聯(lián)系在一起,使我們又開始懷念起那些被閑置的工具。“技術(shù)”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(zhì)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(chuàng)造出來的,“技術(shù)”的意義最初指修辭學(xué)的技術(shù)技能——標志字面上的技藝。但是,在日常生活中把科學(xué)和技術(shù)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(xué)家就經(jīng)常把他們的研究活動和本來該稱作體育技術(shù)的事物混為一談。目前,哲學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家早就明確區(qū)分了理論(科學(xué))和應(yīng)用(技術(shù)),但這一區(qū)分并沒應(yīng)用到在對體育的自然研究中。在日常交談中,把科學(xué)和技術(shù)這兩個概念區(qū)分開來是比較困難的。事實上,體育科學(xué)家經(jīng)常把他們的體育項目和確切的應(yīng)該稱為“運動技術(shù)”的概念混為一談。當(dāng)今的科學(xué)哲學(xué)家已經(jīng)可以把理論學(xué)(即科學(xué))和應(yīng)用學(xué)(即技術(shù))明確區(qū)分開來了,盡管在體育運動的理論科學(xué)領(lǐng)域,這兩個概念依舊難以區(qū)分。在此可以想象一下,如果醫(yī)藥領(lǐng)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(shè)備與材料的步驟,分別得出醫(yī)藥和體育的目的。如果以上都可以獲得實現(xiàn)的話,那么他們的顯著特征就應(yīng)該是一個“目的--結(jié)果”的結(jié)構(gòu)。科技就可以被認為是利用目的去得到一個被選擇好的結(jié)果。
三、小結(jié)
生物醫(yī)學(xué)技術(shù)與體育科學(xué)的發(fā)展關(guān)系問題是體育科學(xué)研究的一個范疇,運用邏輯思辨、哲學(xué)方法論等體育學(xué)研究方法,對生物醫(yī)學(xué)技術(shù)與體育科學(xué)的發(fā)展關(guān)系問題進行思考。
生物醫(yī)學(xué)技術(shù)分析:納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用
摘 要 納米技術(shù)與生物化學(xué)、分子生物學(xué)整合將對21世紀的生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)生深刻的影響。它將利用生物大分子進行物質(zhì)的組裝、分析與檢測技術(shù)的優(yōu)化、并將藥物靶向性與基因治療等研究引入微型、微觀領(lǐng)域，用納米生物技術(shù)檢測是否患有癌癥只用幾個細胞。
關(guān)鍵詞 納米技術(shù)；納米生物學(xué)；DNA納米技術(shù)
20世紀80年代才開始研究的納米技術(shù)在90年代獲得了突破性進展。最近美國《商業(yè)周刊》列出了21世紀可能取得重大突破的三個領(lǐng)域：一是生命科學(xué)和生物技術(shù)；二是從外星球獲取能源；三是納米技術(shù)。所謂納米技術(shù)(Nanotechnology)是指在小于100 nm的量度范圍內(nèi)對物質(zhì)和結(jié)構(gòu)進行制造的技術(shù)，其實就是一種用單個原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)［1］。納米技術(shù)在新世紀將推動信息技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、自動化技術(shù)及能源科學(xué)的發(fā)展，將極大的影響人類的生活，衣、食、住、行、醫(yī)療等方面。本文將圍繞納米技術(shù)給21世紀的生物醫(yī)學(xué)可能帶來影響作一概述。
1 納米生物學(xué)的研究對象
有人把在納米尺度(水平)上研究生命現(xiàn)象的生物學(xué)叫做納米生物學(xué)。納米結(jié)構(gòu)通常指尺寸在1 nm～100 nm范圍的微小結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)，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(xiàn)象的納米生物學(xué)，它的研究對象就是亞細胞結(jié)構(gòu)和生物大分子體系。由于納米微粒的尺寸一般比生物體內(nèi)的細胞、紅細胞小得多，這就為生物學(xué)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(shù)在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用
2.1 測量和控制生物大分子
納米技術(shù)與掃描探針顯微鏡(Scanning probe microscopes,SPMs)相結(jié)合，便具有了觀察、制造原子水平物質(zhì)結(jié)構(gòu)的能力，為生物醫(yī)學(xué)工作者提供了直接在亞細胞水平或分子水平研究生命現(xiàn)象的應(yīng)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(shù)，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(yīng)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(dāng)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(dāng)電壓，在它們之間會形成隧道電流，這就是電子隧道效應(yīng)。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(yù)定位置，去除電壓，使原子從探針上脫落。如此反復(fù)進行，便按設(shè)計要求“堆砌”出各種微型構(gòu)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(guān)，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(dǎo)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(xué)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(huán)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(zhuǎn)或拉伸生物大分子，從而研究單個生物大分子的運動學(xué)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(shù)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(shù)，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(shù)中構(gòu)造復(fù)雜的圖形和結(jié)構(gòu)［6］。
2.2 磁性納米粒子的應(yīng)用
德國學(xué)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(xué)性質(zhì)［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(xué)中的應(yīng)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(yè)上可獲得的人造磁珠作了比較：DNA自動提純、蛋白質(zhì)檢測、分離和提純、生物物料中逆轉(zhuǎn)錄病毒檢測、內(nèi)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(yīng)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(zhì)結(jié)合，作為藥物載體注入到人體內(nèi)，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(dǎo)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(zhì)體—仿生物細胞的藥物載體
脂質(zhì)體（Liposome)是一種定時定向藥物載體，屬于靶向給藥系統(tǒng)的一種新劑型。20世紀60年代，英國Bangham AD首先發(fā)現(xiàn)磷脂分散在水中構(gòu)成由脂質(zhì)雙分子層組成的內(nèi)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(jié)構(gòu)和通透性的雙分子囊泡稱為脂質(zhì)體。70年代初，Rahman YE等在生物膜研究的基礎(chǔ)上，首次將脂質(zhì)體作為酶和某些藥物的載體。納米脂質(zhì)體作為藥物載體的優(yōu)點：①由磷脂雙分子層包封水相囊泡構(gòu)成，與各種固態(tài)微球藥物載體相區(qū)別，脂質(zhì)體彈性大，生物相容性好；②對所載藥物有廣泛的適應(yīng)性，水溶性藥物載入內(nèi)水相，脂溶性藥物溶于脂膜內(nèi)，兩親性藥物可插于脂膜上，而且同一個脂質(zhì)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(zhì)體注入體內(nèi)無毒，生物利用度高，不引起免疫反應(yīng)；④保護所載藥物，防止體液對藥物的稀釋，及被體內(nèi)酶的分解破壞。納米粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便。對脂質(zhì)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(zhì)體表面，以達到尋靶目的。以肝臟為例，納米粒子—藥物復(fù)合物可通過被動和主動兩種方式達到靶向作用：當(dāng)該復(fù)合物被Kupffer細胞捕捉吞噬，使藥物在肝臟內(nèi)聚集，然后再逐步降解釋放入血液循環(huán)，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(dāng)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(zhì)定位于肝實質(zhì)細胞發(fā)揮作用，此為主動靶向作用。用數(shù)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(zhì)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(xué)參數(shù)，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(tǒng)作為多肽與蛋白質(zhì)類藥物發(fā)展的工具有著十分廣泛的應(yīng)用前景［8］。
2.4 DNA納米技術(shù)和基因治療
DNA納米技術(shù)(DNA nanotechnology)是指以DNA的理化特性為原理設(shè)計的納米技術(shù)，主要應(yīng)用于分子的組裝。DNA復(fù)制過程中所體現(xiàn)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(gòu)象上的特殊性和拓撲靶向性，都是納米技術(shù)所需要的設(shè)計原理［9］。現(xiàn)在利用生物大分子已經(jīng)可以實現(xiàn)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(xiàn)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(yōu)點：可以提供高度特異性結(jié)合，這在構(gòu)造復(fù)雜體系的自組裝方面是必需的。
美國波士頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程所Bukanov等研制的PD環(huán)(PD?loop)(在雙鏈線性DNA中復(fù)合嵌入一段寡義核苷酸序列)比PCR擴增技術(shù)具有更大的優(yōu)越性；其引物無須保存于原封不動的生物活性狀態(tài)，其產(chǎn)物具有高度序列特異性，不像PCR產(chǎn)物那樣可能發(fā)生錯配現(xiàn)象。PD環(huán)的誕生為線性DNA寡義核苷酸雜交技術(shù)開辟了一條嶄新的道路，使從復(fù)雜DNA混合物中選擇分離出特殊DN段成為可能，并可能應(yīng)用于DNA納米技術(shù)中［11］。
基因治療是治療學(xué)的巨大進步，質(zhì)粒DNA插入目的細胞后，可修復(fù)遺傳錯誤或可產(chǎn)生治療因子(如多肽、蛋白質(zhì)、抗原等)。利用納米技術(shù)，可使DNA通過主動靶向作用定位于細胞；將質(zhì)粒DNA濃縮至50～200 nm大小且?guī)县撾姾桑兄谄鋵毎说挠行肭郑欢|(zhì)粒DNA插入細胞核DNA的位點則取決于納米粒子的大小和結(jié)構(gòu)。此時的納米粒子是DNA本身所組成，但有關(guān)它的物理化學(xué)特性尚有待進一步研究［12］。
2.5 納米細胞分離技術(shù)
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(xiàn)細胞分離的新技術(shù)。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(jié)構(gòu)一般為非晶態(tài)，再將其表面包覆單分子層。包覆層的選擇主要依據(jù)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(zhì)作為附著層。這種SiO2納米粒子包覆后所形成復(fù)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(dāng)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(shù)，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(yōu)點是：①易形成密度梯度；②易實現(xiàn)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(wěn)定，一般不與膠體溶液和生物溶液反應(yīng)，既不會沾污生物細胞，也容易把它們分開。
3 發(fā)展趨勢
跨入21世紀后的未來二三十年，數(shù)學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等基礎(chǔ)研究的進展將擴大納米技術(shù)的應(yīng)用范圍，使納米技術(shù)與物醫(yī)學(xué)的聯(lián)系更加緊密，其發(fā)展趨勢是：①生體相容性好的鈦合金等物質(zhì)將逐步開發(fā)［13］，并進入臨床試驗階段；②納米技術(shù)與分子生物學(xué)技術(shù)相結(jié)合，將有助于揭示生物大分子各級結(jié)構(gòu)與功能的破譯；③納米生物技術(shù)將使藥物的生產(chǎn)實現(xiàn)低成本、高效率、自動化、大規(guī)模，而藥物的作用將實現(xiàn)器官靶向化［14］； ④納米生物技術(shù)應(yīng)用于分子之間的相互作用、分子復(fù)合物和分子組裝的研究將在病毒結(jié)構(gòu)、細胞器結(jié)構(gòu)細節(jié)和自身裝配機制上取得進展［15］；⑤納米生物技術(shù)將使生物活性分子診斷、檢測技術(shù)向微型、微觀、微量、微創(chuàng)或無創(chuàng)、快速、實時、遙距、動態(tài)、功能性和智能化的方向發(fā)展。
有人預(yù)測，二三十年后，醫(yī)生使用納米技術(shù)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(xiàn)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(yù)防移植后的排異反應(yīng)。使用納米技術(shù)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(zhì)和DNA診斷出各種疾病。
生物醫(yī)學(xué)技術(shù)分析:生物醫(yī)學(xué)在體成像技術(shù)作用
本文作者：蘭海云 汪愛勤 尹文 單位：第四軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部 第四軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部 第四軍醫(yī)大學(xué)中心實驗室
在體成像技術(shù)的發(fā)展及成像策略的不斷提高，能夠在活的生物體內(nèi)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(nèi)環(huán)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(xué)標記的報告基因已被廣泛應(yīng)用于細胞生物學(xué)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(nèi)生理機能和疾病的生物學(xué)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(nèi)設(shè)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(fā)光成像技術(shù)的原理
通過生物技術(shù)將構(gòu)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(zhì)粒、重組真核表達質(zhì)粒或重組病毒），經(jīng)轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄病毒等）用于轉(zhuǎn)入小動物；或是將含螢光素酶及調(diào)控序列的載體線性化后經(jīng)顯微注射等技術(shù)穩(wěn)定整合于小動物基因組制備轉(zhuǎn)基因動物[2－4]。標記基因的表達可通過多種調(diào)控元件進行調(diào)控，如靶基因的啟動子和增強子等；標記的方法因研究領(lǐng)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(nèi)組織如血液、肝臟、腦、脾、腎等靶部位因特定生物過程的發(fā)生而伴隨產(chǎn)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(yīng)產(chǎn)生特定波長的光信號，通過成像系統(tǒng)可以直觀檢測到光信號的產(chǎn)生及變化，實時反映體內(nèi)發(fā)生的生物過程，如基因的調(diào)控表達、信號傳導(dǎo)、蛋白質(zhì)之間的相互作用、細胞增殖與分化等。因此，在體生物發(fā)光成像技術(shù)可廣泛應(yīng)用于分子生物學(xué)、細胞生物學(xué)、病毒學(xué)與免疫學(xué)、腫瘤學(xué)等研究領(lǐng)域[5－8]。
2在體生物發(fā)光成像技術(shù)的應(yīng)用
2．1標記于腫瘤細胞、免疫細胞、胚胎干細胞等，轉(zhuǎn)入體內(nèi)后進行成像
螢光素酶基因作為一種報告基因，最初應(yīng)用于體外培養(yǎng)細胞內(nèi)目的基因的表達研究。在體生物發(fā)光成像技術(shù)的發(fā)展，使其能夠應(yīng)用于在體組織細胞的表達研究[9]。螢光素酶是一類生物發(fā)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(wěn)定表達的啟動子驅(qū)動，作為內(nèi)參，反應(yīng)細胞數(shù)量的變化；另一螢光素酶由要研究的組織特異性啟動子驅(qū)動，其發(fā)光信號的變化，在消除細胞數(shù)量變化的影響后就可反映特定的啟動子在動物體內(nèi)的表達活性[10－11]。
2．1．1腫瘤及抗腫瘤研究在體生物發(fā)光成像技術(shù)可直接實時地監(jiān)測各種癌癥模型中腫瘤的生長和轉(zhuǎn)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(chuàng)傷地定量檢測小鼠整體的原位瘤、轉(zhuǎn)移瘤及自發(fā)瘤。Klerk等[12]研究證實了利用此技術(shù)測量腫瘤負荷具有很高的性。Minn等[13]應(yīng)用該技術(shù)進行了乳腺癌肺轉(zhuǎn)移相關(guān)基因的研究，他們構(gòu)建能夠表達熒光蛋白、螢光素酶的反轉(zhuǎn)錄病毒載體，并穩(wěn)定轉(zhuǎn)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(shù)篩選同一亞群內(nèi)具有相同轉(zhuǎn)染效果（穩(wěn)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(fā)光的部位和大小，評價不同亞群腫瘤細胞向肺部位的轉(zhuǎn)移情況及其轉(zhuǎn)移能力，再通過檢測細胞內(nèi)各基因的表達差異來分析肺轉(zhuǎn)移相關(guān)基因。Gupta等[15－16]又用相似的方法來研究乳腺癌腦轉(zhuǎn)移相關(guān)基因及乳腺癌肺轉(zhuǎn)移過程中分化基因介導(dǎo)的腫瘤再起始，結(jié)果再次顯示了生物發(fā)光成像技術(shù)應(yīng)用于腫瘤及癌轉(zhuǎn)移機理研究領(lǐng)域的優(yōu)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(fā)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(xué)藥物治療的效果，并可尋找在腫瘤骨髓轉(zhuǎn)移及抗腫瘤免疫治療中復(fù)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(nèi)一種與腫瘤相關(guān)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(nèi)免疫過程中的作用。
2．1．3藥物促腫瘤細胞凋亡的研究當(dāng)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(chǎn)生的融合蛋白無螢光素酶活性，細胞不能發(fā)光，而當(dāng)細胞發(fā)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(fù)，由此可用于觀察活體動物體內(nèi)的細胞凋亡相關(guān)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(jié)合而被酶解為氨基螢光素，它可被螢光素酶識別而產(chǎn)生生物發(fā)光信號。Liu、Hickson等[18－19]利用這一現(xiàn)象設(shè)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(fā)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(guān)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(yī)學(xué)的研究胚胎干細胞在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有應(yīng)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(yīng)等障礙。應(yīng)用在體生物發(fā)光成像技術(shù)，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(fā)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(zhuǎn)移途徑及宿主免疫反應(yīng)等
在感染性疾病的研究中，在體生物發(fā)光成像技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以提供疾病進程中觀測病原體在動物體內(nèi)的寄居部位、數(shù)量變化及對外界因素的反應(yīng)等實時變化信息，而且更有助于揭示感染體內(nèi)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?qū)膊∵M程實時地提供新的信息，且有可能發(fā)現(xiàn)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(jié)的侵襲，及病毒從血液系統(tǒng)進入神經(jīng)系統(tǒng)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(xié)同發(fā)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(zhuǎn)入體內(nèi)靶細胞可用于基因治療，應(yīng)用螢光素酶基因作為報告基因構(gòu)建載體，觀察目的基因是否能夠在試驗動物體內(nèi)持續(xù)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(yīng)的優(yōu)點。螢光素酶基因也可以插入脂質(zhì)體包裹的DNA分子中，用來觀察脂質(zhì)體為載體的DNA運輸和基因治療情況。Smith等[28]已經(jīng)運用該技術(shù)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(wěn)定表達肝細胞癌抗原的質(zhì)粒轉(zhuǎn)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(nèi)沙門菌成功表達抗原和沙門菌作為活菌疫苗在體內(nèi)的清除過程。
2．4蛋白質(zhì)間相互作用、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等的研究
蛋白片段互補策略廣泛用于研究細胞內(nèi)蛋白質(zhì)間的相互作用，這種策略在借助在體生物發(fā)光成像技術(shù)后就可以被運用到活體動物內(nèi)，以非侵入、可量化、實時地顯示蛋白質(zhì)之間的相互作用[31]。在動物體內(nèi)直接觀察細胞中或活體動物體內(nèi)2種蛋白質(zhì)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(chǎn)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(dǎo)表達。在體的細胞內(nèi)若2個目的蛋白能靠近并結(jié)合形成完整的Fluc，則會產(chǎn)生發(fā)光信號。Andrea等[32]建立了一種轉(zhuǎn)基因報告小鼠，由特異啟動子（TgG4F（＋／－））及其轉(zhuǎn)錄反式作用因子多聯(lián)體蛋白Gal4進行調(diào)控。將融合了Gal4BD的p53和融合了VP16的TAg的病毒載體共轉(zhuǎn)入該小鼠的肝臟細胞，在小鼠肝臟部位觀察到了明顯的發(fā)光信號，顯示p53與TAg的結(jié)合引發(fā)Gal4BD與VP16結(jié)合，結(jié)合的多聯(lián)蛋白順利與啟動子TgG4F（＋／－）結(jié)合，進而引發(fā)Fluc在肝臟組織的表達。
2．5體內(nèi)干擾RNA及DNA疫苗的研究
目前RNA干擾技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種體外轉(zhuǎn)錄后沉默基因的方法，在體內(nèi)RNA干擾的轉(zhuǎn)錄后表達沉默可以引起各種廣泛的生物學(xué)效應(yīng)，因此生物發(fā)光在體成像技術(shù)有力地促進了體內(nèi)RNA干擾的研究和在體內(nèi)利用RNA干擾技術(shù)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(shè)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(gòu)建表達功能性小發(fā)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(shù)成功用于臨床治療須保障雙鏈siRNA有效轉(zhuǎn)入體內(nèi)并維持有效的濃度，而借助在體生物發(fā)光成像技術(shù)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(shù)分別對各自所設(shè)計的不同的雙鏈siRNA運送方法進行了的評價，并發(fā)現(xiàn)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(nèi)較長時間內(nèi)不被降解。RNA干擾可作為傳統(tǒng)DNA疫苗的補充，被用以在體內(nèi)消除免疫抑制因子表達。DNA疫苗的效應(yīng)常常因相關(guān)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑下調(diào)該獲得性免疫反應(yīng)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(yīng)用在體生物發(fā)光技術(shù)所做的研究結(jié)果顯示，皮下注射編碼shRNA的DNA，可以作為體內(nèi)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(zhuǎn)基因載體建立轉(zhuǎn)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(wěn)定整合于實驗動物染色體中，形成轉(zhuǎn)基因動物模型。可用于研究動物發(fā)育過程中特定基因的時空表達情況，觀察藥物誘導(dǎo)特定基因表達及其他生物事件引起的相應(yīng)基因表達或關(guān)閉。Chen等[37]將受胰島素調(diào)控啟動子調(diào)控表達螢光素酶的轉(zhuǎn)基因小鼠制成糖尿病小鼠模型，采用在體生物發(fā)光成像技術(shù)證實了肝臟組織中含有可生成胰島素的細胞。研究結(jié)果也證實了在轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列和反式轉(zhuǎn)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(fā)光強度能夠真實反映目的基因的表達狀況。目前對于調(diào)控多藥耐藥性基因－1（mdr－1a）表達的關(guān)鍵因子和胞內(nèi)微環(huán)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(nèi)組織中轉(zhuǎn)錄調(diào)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(gòu)建了基因型為mdr－1a＋／Fluc的轉(zhuǎn)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(nèi)源性mdr－1a啟動子及相應(yīng)各種反式作用因子的調(diào)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(fā)光強度成正比。該小鼠體內(nèi)Fluc的表達與mdr－1a的表達在時間、所處的微環(huán)境均一致，可作為研究各種因素下mdr－1a表達調(diào)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(yǎng)不能提供的特定基因表達的真實微環(huán)境的缺點，也能彌補基因敲除小鼠存在的代償效應(yīng)等不足[39]。
2．6．2各種疾病模型研究者根據(jù)研究目的，將致病基因、病毒及細菌進行螢光素酶標記，轉(zhuǎn)入動物體內(nèi)形成所需的疾病模型，包括免疫系統(tǒng)疾病、感染疾病等。除可提供靶基因在體內(nèi)的實時表達和對候選藥物的反應(yīng)，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(diào)控表達螢光素酶轉(zhuǎn)基因小鼠（sPSA－Luc），與前列腺癌轉(zhuǎn)基因模型小鼠TRAMP雜交，經(jīng)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(wěn)定產(chǎn)生螢光素酶。因此，該小鼠借助在體生物發(fā)光成像技術(shù)已被成功地用于前列腺癌的發(fā)生及轉(zhuǎn)移研究。
3在體生物發(fā)光成像技術(shù)的發(fā)展趨勢
近年來針對生物發(fā)光成像過程的三大要素，即螢光素酶、底物、成像設(shè)備的研究不斷取得新進展。研究人員應(yīng)用遺傳學(xué)手段，在基因、蛋白水平對各種螢光素酶的分子結(jié)構(gòu)進行改造，獲得了新的螢光素酶，使底物發(fā)光的波長發(fā)生明顯的紅移（使發(fā)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(wěn)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(nèi)表達的穩(wěn)定性、催化底物的反應(yīng)等方面得到了優(yōu)化，不僅增加了發(fā)光輸出量，更能適應(yīng)不同時程的成像方式[42－46]。各種螢光素酶與體內(nèi)不同組織對應(yīng)著獨特的動力學(xué)特征。研究人員試圖通過優(yōu)化發(fā)光底物轉(zhuǎn)入體內(nèi)的方式、底物在體內(nèi)的釋放方式、對細胞內(nèi)底物攝入相關(guān)蛋白加以限制，以及對底物本身的結(jié)構(gòu)加以改造等手段，來滿足體內(nèi)不同時程生物過程的動態(tài)性研究。Kheirolomoom等[47]分別用長循環(huán)脂質(zhì)體和溫度敏感型脂質(zhì)體包裹螢光素并轉(zhuǎn)入體內(nèi)。前者螢光素酶以一定水平正常表達時發(fā)光依賴于體內(nèi)螢光素的釋放。今后，通過選擇合適的包裹材料（如設(shè)計合理的脂質(zhì)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(nèi)較長時間內(nèi)保持相對恒定的釋放速率，使底物濃度保持穩(wěn)定。#p#分頁標題#e#
這樣，發(fā)光強度在一定時間內(nèi)取決于螢光素酶的表達水平。而溫度敏感型脂質(zhì)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(fā)一次爆發(fā)式快速釋放，這種溫度敏感型脂質(zhì)體則可以實現(xiàn)定點轉(zhuǎn)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(nèi)某些自身蛋白的影響。Zhang等[49]發(fā)現(xiàn)ABC家族的乳腺癌耐性蛋白（ABCG2／BCRP）作為重要的膜轉(zhuǎn)運蛋白，其表達水平和特異結(jié)構(gòu)域的功能影響螢光素的攝入過程，因而影響生物發(fā)光信號的產(chǎn)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(fā)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(nèi)，且操縱子內(nèi)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(wěn)定轉(zhuǎn)入的細菌侵染動物模型后，無需外源底物就能實現(xiàn)成像[51]。若將這類細菌來源的螢光素酶應(yīng)用于動物細胞，可能更有利于在體發(fā)光成像。但這是否可行，目前尚未見相關(guān)報道。成像設(shè)備方面的進展不僅提高了設(shè)備的靈敏度，而且使功能更加，數(shù)據(jù)采集與分析更加。例如，已經(jīng)應(yīng)用三維成像技術(shù)使信號定位更明確、分析更。隨著在體生物發(fā)光成像技術(shù)的逐步成熟，必將使其更廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)研究的各領(lǐng)域。
生物醫(yī)學(xué)技術(shù)分析:生物醫(yī)學(xué)圖像信息技術(shù)論文
1生物醫(yī)學(xué)圖像信息技術(shù)的應(yīng)用分析
目前，生物醫(yī)學(xué)圖像信息技術(shù)主要包括生物醫(yī)學(xué)圖像傳輸、圖像管理、圖像分析、圖像處理幾方面。這些技術(shù)同以前的圖像技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)都有一定的聯(lián)系，其在涵蓋以往圖像技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的同時，也具有自身的特點，與傳統(tǒng)的圖像和醫(yī)學(xué)影像技術(shù)相比，生物醫(yī)學(xué)圖像信息技術(shù)更加強調(diào)在醫(yī)學(xué)圖像信息收集、處理等過程中應(yīng)用計算機信息技術(shù)。
1.1圖像成像
從本質(zhì)上來看，生物醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)（下文簡稱“圖像成像技術(shù)”）與醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的區(qū)別并不大，僅僅是人們更習(xí)慣將其表達為醫(yī)學(xué)影像。生物醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)的研究內(nèi)容為：利用染色方法和光學(xué)原理，清晰地表達出機體內(nèi)的相關(guān)信息，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢晥D像。圖像成像技術(shù)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(nèi)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(xué)光學(xué)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(jié)構(gòu)的電子顯微鏡圖像等等。
圖像成像技術(shù)主要包括2個部分：現(xiàn)代數(shù)字成像和傳統(tǒng)攝影成像。通常可采用掃描儀、內(nèi)窺鏡數(shù)碼相機、采集卡、數(shù)字攝像機等進行數(shù)字圖像采集；顯微圖像采集則可應(yīng)用光學(xué)顯微鏡成像設(shè)備及超微結(jié)構(gòu)電子顯微鏡成像設(shè)備；特殊光源采集可應(yīng)用超聲成像儀器、核磁共振成像儀器及X光成像設(shè)備。目前，各種醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)的發(fā)展都十分迅速，特別是MRI、CT、X線、超聲圖像等技術(shù)。在醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)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(xué)成分檢測方面，已經(jīng)引起了相關(guān)領(lǐng)域的重視。
1.2圖像處理
生物醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)，是指應(yīng)用計算機軟硬件對醫(yī)學(xué)圖像進行數(shù)字化處理后，進行數(shù)字圖像采集、存儲、顯示、傳輸、加工等操作的技術(shù)。圖像處理是對獲取的醫(yī)學(xué)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(yī)學(xué)領(lǐng)域所應(yīng)用的圖像處理技術(shù)種類較多，統(tǒng)計學(xué)知識、成像技術(shù)知識、解剖學(xué)知識、臨床知識等的圖像處理均得到了較快的發(fā)展。另外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊處理等技術(shù)也引起了圖像處理研究領(lǐng)域的廣泛重視。
1.3圖像分析及圖像傳輸
生物醫(yī)學(xué)圖像分析技術(shù)，是指測量和標定醫(yī)學(xué)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(yīng)的數(shù)據(jù)描述。通過計算測定的圖像數(shù)據(jù)，可揭示機體功能及形態(tài)，推斷損傷或疾病的性質(zhì)及其與其他組織的關(guān)系，進而為臨床診斷、治療提供依據(jù)。生物醫(yī)學(xué)圖像傳輸技術(shù)，是指應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在互聯(lián)網(wǎng)上開展醫(yī)學(xué)圖像信息的查詢與檢索。通過網(wǎng)上傳輸圖像，在異地間進行圖像信息交流，可實現(xiàn)遠程診斷。同時，在院內(nèi)通過PACS（數(shù)字醫(yī)學(xué)系統(tǒng)—醫(yī)學(xué)影像存檔與通信系統(tǒng)），也能在醫(yī)院內(nèi)部實現(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像的網(wǎng)絡(luò)傳遞。
2總結(jié)
醫(yī)學(xué)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(xiàn)代醫(yī)學(xué)實驗研究及臨床診斷中所占據(jù)的地位也日益重要。生物醫(yī)學(xué)圖像信息技術(shù)的應(yīng)用水平也已經(jīng)成為衡量現(xiàn)代醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備現(xiàn)代化水平和診斷水平的一個重要標志，由此可見生物醫(yī)學(xué)圖像信息技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展前景必將十分樂觀。
作者：郜璐璐 單位：山西醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)影像學(xué)系
