兩種小動物三維活體成像設備核心功能對比白皮書

圖1. 組織模擬假體示意圖，顯示熒光毛細管可放入的位置。

②毛細管：

③熒光染料：

吲哚菁綠（ICG），一種水溶性的、已被美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準可應用于臨床的近紅外熒光染料。

三、實驗內(nèi)容

（1）構建標準曲線：

利用組織模擬假體，分別在IVIS Spectrum CT和InSyTe FLECT/CT設備上對稀釋后的ICG溶液進行成像，構建標準曲線。

（2）樣品處于不同位置時的信號結果比較：

使用IVIS SpectrumCT上的相機采集處于不同角度和方位的樣品圖像，用于評估信號采集方向的差異對最終重建圖像的影響。

同樣地，在InSyTe FLECT/CT設備中，對同樣處于模體P2孔腔的、含有2.5 μM ICG染料的毛細玻璃管進行掃描。對二者的重建圖像進行比較。

四、實驗結果

（1）使用IVIS Spectrum CT和InSyTe FLECT/CT設備分別構建得到的標準曲線結果如圖2所示，并對數(shù)據(jù)進行最小二乘線性回歸分析。利用InSyTe FLECT/CT設備獲取的結果呈現(xiàn)幾乎完美的線性（R2 = 0.99），表明熒光強度隨著染料濃度的增加而相應增加。而利用IVIS SpectrumCT設備獲取的結果雖然也是線性的（R2 = 0.85），但線性擬合程度不及InSyTe FLECT/CT。（由于10μM的染料濃度較高，熒光發(fā)生自猝滅，其檢測結果未納入這兩種設備的線性回歸分析中。）

圖2. 分別使用InSyTe FLECT/CT（上）和IVIS Spectrum CT（下）設備對連續(xù)稀釋的ICG染料進行熒光成像，構建標準曲線，并進行線性回歸分析。

（2）模體相對于兩種成像設備上探測器/相機的位置如圖3所示。由示意圖可以看出，InSyTe FLECT/CT設備在數(shù)據(jù)采集的過程中，使用了可以始終圍繞樣品旋轉的探測器機架，這種非定向的測量方式，使得對于樣品信號的檢測可以不受樣品所處方位的影響。而在IVIS SpectrumCT設備中，相機處于固定位置，因此在測量時，樣品所處的位置對于檢測結果將變得非常敏感。

圖3. InSyTe FLECT/CT（左）與IVIS Spectrum CT（右）在數(shù)據(jù)采集方式上的對比。

圖4顯示了在不同角度和方位獲取的樣品信號結果之間的比較，分別使用之前已構建好的標準曲線、根據(jù)測定的熒光信號來計算染料的濃度，并與真實的染料濃度（2.5 μM）做比較。

由結果可以看出，InSyTe FLECT/CT獲取的信號強度不受樣品所處位置的影響，檢測到的熒光信號始終是穩(wěn)定的，據(jù)此計算得到的染料濃度（2.2 μM）十分接近真實的染料濃度。而IVIS Spectrum CT檢測到的熒光信號受樣品所處不同位置的影響較大，不同位置計算得到的染料濃度有較大差異。

圖4. 根據(jù)InSyTe FLECT/CT（上）與IVIS Spectrum CT（下）在不同位置獲取的熒光信號強度，計算得到染料的濃度。

五、討論與分析

      從構建得到的標準曲線結果來看，IVIS SpectrumCT與InSyTe FLECT/CT設備在精確重建三維熒光數(shù)據(jù)的能力方面存在顯著差距。FLECT/CT的成像結果與模體中熒光毛細管的物理形狀和特征非常一致，也顯示了預期的來自毛細管的漫射熒光。

     相比之下，IVIS Spectrum CT的成像結果較難解釋，因為重建后的熒光信號既不出現(xiàn)在預期的物理位置，其形狀也與模體中實際的熒光毛細管不一致。

      對分別利用InSyTe FLECT/CT和IVIS Spectrum CT采集的信號構建得到的標準曲線的定量分析顯示，二者的R2值均具有線性。

     其中，InSyTe FLECT/CT的R2值為0.99，具有接近理想狀態(tài)的線性響應，而IVIS Spectrum CT的R2值為0.85，也具有線性響應。然而，二者之間的線性響應還是有一些不同之處的。對于FLECT/CT獲得的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過閾值重構熒光體素，在最大值和全寬半最大值（FWHM）之間選擇感興趣區(qū)域（ROI），這種方法考慮到了整個重建熒光體積上體素值的變化。對于IVIS Spectrum CT獲得的數(shù)據(jù)，是根據(jù)制造商提供的指南選擇了一個特定的ROI，該ROI只覆蓋了重構熒光的一小部分區(qū)域。這種方法將分析結果局限于一個小的ROI內(nèi)，而不是考慮整個重構體的變化。目前尚不清楚，如果選擇了不同的ROI，或對整個重建體積進行分析的話，標準曲線將如何變化。

      樣品處于不同位置時的信號測定結果顯示，InSyTe FLECT/CT和IVIS SpectrumCT在3D熒光成像性能上的對比更加明顯。

     InSyTe FLECT/CT成功重建了P2（5mm位置）處的熒光毛細管，并且，可以根據(jù)測定的熒光信號強度，使用標準曲線正確估計出染料濃度。由于InSyTe FLECT/CT采用的是可以圍繞樣品旋轉的檢測機架，因此不受樣品所處的不同方向和位置的影響（即無方向性，樣品處于任何位置時的檢測結果均一致）。

      IVIS Spectrum CT的成像結果則顯示出設備對于樣本方向的敏感性以及嚴重的局限性。對處于3個方向上的樣品，IVIS Spectrum CT的成像都無法做到準確重建，因此也無法正確計算得到毛細管中的熒光染料濃度。這是由于IVIS Spectrum CT在樣品成像區(qū)域的上方設置了固定位置的探測器，無法有效地在360°范圍內(nèi)獲取用于精確重建3D熒光圖像的數(shù)據(jù)導致的。

六、總結

     三維熒光成像是一種重要的臨床前研究方法，但由于現(xiàn)有儀器設備的限制，尚未得到充分應用。

     InSyTe FLECT/CT，作為一款專門設計用于實現(xiàn)深部組織成像的臨床前成像儀器，能夠實現(xiàn)精確的3D熒光成像和定量分析功能，恰如本技術白皮書中演示的結果。

     3D可視化技術提供了進一步定量分析的機會，如對腫瘤大小和體積的變化進行監(jiān)測，測定治療藥物的分布和濃度，以及用于觀測其他的生物現(xiàn)象。

      InSyTe FLECT/CT所使用的 3D熒光成像，可以作為一種補充的技術手段，填補快速型、2D光學成像篩查應用和基于放射性同位素的3D成像（即PET、SPECT）之間的成像技術空白，非常適用于臨床前的相關研究項目。

      另一方面，根據(jù)中南大學曾文彬教授團隊發(fā)表的“NIR-I Dye-Based Probe: A New Window for Bimodal Tumor Theranostics”文章中的觀點，近紅外（NIR）成像已成為腫瘤診斷的有力方法，而將NIR熒光成像與其他成像方式進行結合的雙模態(tài)成像，能夠實現(xiàn)優(yōu)勢互補的協(xié)同成像效果，在疾病的診斷治療中具有巨大的應用潛力。

      基于這種多模態(tài)成像的設計理念，除3D熒光成像的功能之外，InSyTe FLECT/CT系統(tǒng)還配備了強大的CT功能，利用CT所具有的空間分辨率高、解剖信息準確、價格相對實惠等優(yōu)點，與NIR 3D熒光成像的高靈敏度實現(xiàn)成像功能上的高度互補，使檢測結果更加接近體內(nèi)真實情況，同時滿足研究人員對精確定位與定量分析的需求。

InSyTe FLECT/CT技術并非全能，它也有很多不足，例如在成像速度和高通量方面就不是優(yōu)勢。

但它確是名副其實的詮釋了3D成像、定量、定位的功能；

迄今為止，它為近紅外一區(qū)成像（活體）提供了相對完美的解決方案：

它擁有針對弱光和深層發(fā)光的檢測能力；

它為納米生物學、藥物的藥效評估（實驗動物）和靶向藥物的生物學分布提供了新的檢測方法；

它是實驗動物影像平臺的一部分，與生物發(fā)光等技術一起共同為生命科學的研究服務。