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生物医学技术分析:生物医学虚拟仪器技术分析
1生物医学工程专业课程设置及教学现状
我校自2003年开办生物医学工程专业以来,根据医科院校特点,以为医疗和医学研究服务为目的,培养能将医学与工程技术相结合,从事医学影像、医疗电子仪器和计算机技术的研发、操作和管理工作,并且能够开展生物医学工程学科研究的人才[1]。该专业主要学习生命科学、电子技术、计算机技术及信息图像传输、处理等有关的基础理论知识以及医学与工程技术相结合的科学知识,设置的主干课程有:“电路原理”“模拟电子技术”“数字电子技术”“微机原理”“生物医学传感器”“医疗仪器原理”“信号与系统”“数字信号处理”“生物医学信号检测与处理”“单片机原理与接口技术”等。另外凭借医学院校的优势还开设了一些医学方面的基础课,生理学、人体解剖等。为了提高教学质量,更好的达到教学效果,所开设的这些课程基本上都需要做实验演示,以增强形象性效果和形象性验证。实验教学在大学教育中是必要手段。几乎每门课的实验教学都需要用到各种各样的电子仪器,主要包括示波器、信号发生器等。在传统教学中基本上都是使用相对独立、功能固定的电子仪器,不能够随意更改它们的结构和功能。对于需要电子计算机之类的课程而言,一般都得配备几十套教学仪器来供教学使用,这些仪器设备还需要不断更新维护,教学成本比较高。另外,在医学院校对于和医学相关的专业课程很多实验实际操作比较困难,效果不理想。中国的医学教育资源本身很紧张,另外医院的设备多是大型设备,体积庞大,价格昂贵,操作使用复杂,临床使用要求高,一般院校很难满足大型医疗设备的教学使用需要。因此,在医学院校的教学中就出现很多问题,比如医学实验教学中的人体生理参数采集等演示效果不好,所以,传统的医疗仪器教学只能偏重于理论讲解,不够生动,即使有个别实验模具,其教学效果也不理想。在当前学校经费较少的情况下,如果大量增加常规仪器、仪表的配置,学校财力难以支付。这样容易造成实验教学效果不理想,对提高学生学习兴趣,培养创新及实践能力都有一定影响。随着现代测试功能和计算机技术的密切结合,出现的虚拟仪器技术可以帮助我们克服一些硬件上不能解决的难题,弥补传统仪器教学的不足。
2虚拟仪器在课程中的应用
2.1虚拟仪器简介
虚拟仪器(VirtualInstrument,VI)是一种新兴的仪器,一种功能意义上的仪器,在以通用计算机为主的硬件基础上,由用户自己设计定义虚拟的操作面板,测试功能由软件来实现的一种计算机仪器系统[2]。其实质是以计算机为核心的仪器系统与电脑软件技术的密切结合,将仪器装入计算机。通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件融合,通过软件编程来实现传统仪器中的由硬件电路完成的功能,利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制端,利用计算机强大的软件功能来管理仪器系统,完成对信号数据的运算、分析处理等,可以多种形式输出结果,少量的硬件模块则为虚拟仪器的正常运行提供信号I/O接口设备来完成不同要求的测试。虚拟仪器具有传统仪器没有的性能高、扩展性强、开发时间短、开发成本低等优点,具有很强的灵活开放性。不同领域的科学家和工程师都借助虚拟仪器来解决工作与课题中的实际问题。所以,虚拟仪器自诞生以来就在测量、航空航天、自动化、远程教学和生物医学等世界范围的众多领域内得到了广泛应用[3]。LabVIEW是美国NI(NationalInstrument)公司推出的一种基于图形化编程的软件开发工具,将功能强大的图形化设计平台LabVIEW与相关硬件结合应用于教学上,能够使传统理论教学与实际有效结合,帮助学生完成从理论到实践的学习。LabVIEW软件平台结合数据采集卡等相关硬件可以开发出示波器、信号发生器等常用的电子仪器,不仅可以代替传统仪器且摆脱了传统电子仪器功能单一、更换维护麻烦等缺点[4]。将基于LabVIEW的虚拟仪器应用在教学中极大提高了教学效率,已经逐渐成为一种新的手段。
2.2在医疗仪器教学中应用
“医学仪器原理”是生物医学工程专业的一门专业必修课。该课程涉及了医学和电子学、计算机、信号处理、传感器技术等方面的知识,是一门实践性很强的科目。作为生物医学工程专业的学生,要掌握常见的医疗仪器的基本结构、工作原理,而且还要具有一定的创新思想和科研水平,有开发和设计高水平的医疗电子仪器的素质[5]。因此做好实验教学是学生提高学生实验水平和综合能力的关键。医学仪器原理实验主要将人体生理信号的检测及处理分析作为教学内容,包括了人体血压信号、心电、体温、呼吸、脉搏等生理参数的测量。生物医学信号由传感器转变成电信号,因为人体生理信号比较微弱要先经过信号的放大、滤波等预处理,再进入数据采集卡。信号通过数据采集卡采集到计算机上以后,利用LabVIEW的图像化语言进行编程,实现对数据的各种分析,包括数值分析、频谱分析等,再通过仪器软面板把结果显示在电脑上。我们以人体呼吸测量为例,这种设备一般只在医院常见,用于教学中的仪器基本上没有。因此讲过理论原理后,学生不能够真正透彻的明白,无法满足教学上的需要。我们利用少量硬件设计结合LabVIEW软件编程构建了一个人体呼吸测量系统,采用阻抗式呼吸测量原理,硬件电路主要涉及放大和滤波环节,限于篇幅就不详细说明了。图1为基于LabVIEW平台搭建的呼吸测量面板图,针对学生教学取得了很好的效果,同学们一致反映对呼吸测量的原理有了更透彻的认识,并且能学习新的软件技术,扩展知识面。在LabVIEW环境下进行实验教学只需要根据实际情况,比如是呼吸测量还是心电测量等,通过软件编程及很少的硬件连接便可完成实验任务,即节省了实验成本,又利于实验设备更新,让 教师和学生脱离了传统教学仪器功能单一的框框,更重要的是可以充分提高学生积极性和发挥创造性,像搭积木一样,根据不同的测试需要,在计算机上构建一个基于虚拟仪器技术的测试测量装备,这样做还能够充分的节省高校技术资源[6]。
2.3在信号处理类课程教学中应用
生物医学工程专业设置的信号处理类课程主要有:“数字信号处理”“信号与系统”“生物医学信号检测与处理”等。这些课程中往往涉及大量抽象的概念、公式,老师上课的时候也只是讲解推导公式或证明算法,学生没有直观印象,无法把函数公式与实际波形相联系,理解起来非常困难,从而很大程度的影响了教学效果。我们以“数字信号处理”课程为例作一简单介绍。“数字信号处理”是一门理论性很强的,以算法为核心的科目。为了使学生深入理解教材上提到的理论算法,需要通过仿真实验来验证那些理论。LabVIEW软件平台的特点之一就是具有丰富的运算且灵活高效的信号处理功能,LabVIEW图形化信号处理平台由多个信号处理与数学函数库组成,包含小波变换、滤波器设计、时频分析、图像处理等工具包,将信号处理的各种功能转化为VI函数,给使用者提供了方便、简单的编程途径,从函数库调用这些现成的VI函数就可以迅速完成信号处理。学生能一目了然地看到程序的运行情况,也可以比较不同的参数对结果的影响。在数字信号处理教学中滤波器是重点知识,也是教学难点。在以往的教学中发现学生普遍对于滤波器的作用弄不明白,另外根据学习的理论知识怎样设计出有实际应用价值的数字滤波器也不清楚。在讲授滤波器时,在LabVIEW中信号处理函数面板中的滤波基本函数栏进行选择,在虚拟仪器前面板上放置多个图形显示控件,完成对滤波器的设计,还可以同时显示多个滤波器的滤波结果,这种学习方式简单明了,学生很容易理解抽象的概念从而掌握所学知识。另外LabVIEW图形化的编程语言有助于学生在比较短的时间内开发出相对复杂的数字信号处理程序,增加了同学们的自信,提高了其学习积极性。虚拟仪器技术强大的功能可以使其对学生开展形象、直观的教学方式,灵活的应用于教学中,不仅可以帮助学生深刻领会抽象的理论知识,扎实掌握所学知识,同时还可以提高他们的学习兴趣,达到教学效果。
3小结
虚拟仪器的出现是测试领域的一次革命,是仪器领域一个新的风向标,它使现代测试测量系统功能越来越强大,且更加的灵活高效、经济,高等教育领域也正在汲取着这种优势,壮大着它的发展。实践证明在生物医学工程专业的教学中引入虚拟仪器技术,不仅能够使教学内容和时展、科学技术紧密结合,而且可以有效促进师生的教学互动,给学生极大地参与感,对培养学生的创新意识和动手综合能力都有帮助。随着生物医学和电子信息技术、虚拟技术的不断发展,生物医学工程专业的教学改革与研究任重而道远,如何使高校培养出具有创新能力的高素质人才需要我们不断努力探索。
生物医学技术分析:体育科学和生物医学技术论文
一、运动医学的发展极限问题
想挑战超人类主义所提出的概念,此概念试图补全那件仍只是半成品的人类改造工程。作为回应,笔者简单概括了一下《赫西奥德和埃斯库罗斯》中关于普罗米修斯神话的两种解释,它可以帮助我们正确地了解运动医学的道德局限。以此总结为一条平淡无奇的提示:人类是凡胎俗骨的,面对疾病和死亡的脆弱无助是远非人类自身可以克服或消除的,这代表了在道德以及普通医学,特别是运动医学这两方面的自然局限。
二、生物医学技术与体育科学的发展
把现代社会实践归结为科学问题很容易,同样,设想一种特定的科学技术,例如电脑技术来举个范例也不难。将技术与工具制造联系在一起,使我们又开始怀念起那些被闲置的工具。“技术”一词有一个古老的过去,它来源于两个希腊字技艺和徽标。技艺是指那种技巧——“实用知识”参与决策的事情,而通过标识恐怕只是推理的一种形式,旨在了解其性质或从事物中得到我们所认可的东西,它实际上是由亚里士多德创造出来的,“技术”的意义最初指修辞学的技术技能——标志字面上的技艺。但是,在日常生活中把科学和技术的概念混为一谈的做法并不少见。事实上,至少在英国,体育科学家就经常把他们的研究活动和本来该称作体育技术的事物混为一谈。目前,哲学领域的科学家早就明确区分了理论(科学)和应用(技术),但这一区分并没应用到在对体育的自然研究中。在日常交谈中,把科学和技术这两个概念区分开来是比较困难的。事实上,体育科学家经常把他们的体育项目和确切的应该称为“运动技术”的概念混为一谈。当今的科学哲学家已经可以把理论学(即科学)和应用学(即技术)明确区分开来了,尽管在体育运动的理论科学领域,这两个概念依旧难以区分。在此可以想象一下,如果医药领域和体育科技可以很简单的获得运用,通过理论知识到实践性知识再到设备与材料的步骤,分别得出医药和体育的目的。如果以上都可以获得实现的话,那么他们的显着特征就应该是一个“目的--结果”的结构。科技就可以被认为是利用目的去得到一个被选择好的结果。
三、小结
生物医学技术与体育科学的发展关系问题是体育科学研究的一个范畴,运用逻辑思辨、哲学方法论等体育学研究方法,对生物医学技术与体育科学的发展关系问题进行思考。
生物医学技术分析:纳米技术在生物医学中的应用
摘 要 纳米技术与生物化学、分子生物学整合将对21世纪的生物医学产生深刻的影响。它将利用生物大分子进行物质的组装、分析与检测技术的优化、并将药物靶向性与基因治疗等研究引入微型、微观领域，用纳米生物技术检测是否患有癌症只用几个细胞。
关键词 纳米技术；纳米生物学；DNA纳米技术
20世纪80年代才开始研究的纳米技术在90年代获得了突破性进展。最近美国《商业周刊》列出了21世纪可能取得重大突破的三个领域：一是生命科学和生物技术；二是从外星球获取能源；三是纳米技术。所谓纳米技术(Nanotechnology)是指在小于100 nm的量度范围内对物质和结构进行制造的技术，其实就是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术［1］。纳米技术在新世纪将推动信息技术、生物医学、环境科学、自动化技术及能源科学的发展，将极大的影响人类的生活，衣、食、住、行、医疗等方面。本文将围绕纳米技术给21世纪的生物医学可能带来影响作一概述。
1 纳米生物学的研究对象
有人把在纳米尺度(水平)上研究生命现象的生物学叫做纳米生物学。纳米结构通常指尺寸在1 nm～100 nm范围的微小结构。1纳米等于10-9m，即1m的十亿分之一。我们知道，细胞具有微米(10-6m)量级的空间尺度，生物大分子具有纳米量级的空间尺度。在它们之间的层次是亚细胞结构，具有几十到几百纳米量级的空间尺度。显然在纳米水平上研究生命现象的纳米生物学，它的研究对象就是亚细胞结构和生物大分子体系。由于纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红细胞小得多，这就为生物学研究提供了一个新的研究途径即利用纳米微粒进行细胞分离、疾病诊断，利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等。
2 纳米技术在生物医学方面的应用
2.1 测量和控制生物大分子
纳米技术与扫描探针显微镜(Scanning probe microscopes,SPMs)相结合，便具有了观察、制造原子水平物质结构的能力，为生物医学工作者提供了直接在亚细胞水平或分子水平研究生命现象的应用前景［2，3］。扫描探针显微镜是指利用扫描探针的显微技术，常用的有扫描隧道显微镜(STM,它是Scanning Tunneling Microscope的简称)和 原子力显微镜(AFM,它是Atomic Force Microscope的简称)。STM的原理是利用电子隧道效应测量探针和样品间微小的距离，又将探针沿样品表面逐点扫描，从而得到样品表面各点高低起伏的形貌。当探针和样品表面间的距离非常近达到一个纳米时，同时在它们之间施加适当电压，在它们之间会形成隧道电流，这就是电子隧道效应。这时探针尖端便吸引材料的一个原子过来，然后将探针移至预定位置，去除电压，使原子从探针上脱落。如此反复进行，便按设计要求“堆砌”出各种微型构件。
Hafner(1999)等［4］报道了碳纳米管的制备方法，整个过程如同用砖头盖房子一样。隧道电流的大小和探针与表面间的距离有关，因此通过隧道电流的测量可以确定这距离的值。STM观测的样品要有导电性，用AFM就没有这种要求。AFM的原理是用探针的针尖去“触摸”样品表面，将探针沿表面逐点扫描，针尖随着样品表面的高低起伏作上下运动。用光学方法测量针尖这种上下运动，就可以得到样品表面高低起伏的图像。用AFM还可以测量分子间作用力的大小以及不同环境中分子间作用力大小的变化。扫描探针显微镜又是操作生物大分子的工具。用它们可以扭转或拉伸生物大分子，从而研究单个生物大分子的运动学特性。STM和AFM在平行于样品表面的方向上的空间分辨率达到0.1 nm。已知样品中原子间距离的量级是0.1 nm ，所以STM和AFM的空间分辨率达到了分辨单个原子的水平。它的时间分辨率取决于要扫描的样品范围和像素点数目，用它们测量固定观测点时，时间分辨率达到ns甚至ps，扫描一幅面积是10 nm×10 nm的样品时，中等象素密度的时间分辨率约是1秒［5］。显而易见，利用STM、AFM等技术，好象使用“纳米笔”一样，可以操纵原子分子，在纳米石版印刷术中构造复杂的图形和结构［6］。
2.2 磁性纳米粒子的应用
德国学者报道了含有75%～80%铁氧化物的超顺磁多糖纳米粒子(200～400 nm)的合成和物理化学性质［7］。将它与纳米尺寸的SiO2相互作用，提高了颗粒基体的强度，并进行了纳米磁性颗粒在分子生物学中的应用研究。试验了具有一定比表面的葡聚糖和二氧化硅增强的纳米粒子。在下列方面与工业上可获得的人造磁珠作了比较：DNA自动提纯、蛋白质检测、分离和提纯、生物物料中逆转录病毒检测、内毒素清除和磁性细胞分离等。例如在DNA自动提纯中，用浓度为25 mg/mL的葡聚糖 nanomag R和SiO2增强的纳米粒子悬浊液，达到了≥300 ng/ μL的DNA型1～2 KD的非专门DNA键合能力。SiO2增强的葡聚糖纳米粒子的应用使背景信号大大减弱。此外，还可以将磁性纳米粒子表面涂覆高分子材料后与蛋白质结合，作为药物载体注入到人体内，在外加磁场2125×103/π(A/m)作用下，通过纳米磁性粒子的磁性导向性，使其向病变部位移动，从而达到定向治疗的目的。例如10～50 nm的Fe3O4的磁性粒子表面包裹甲基丙烯酸，尺寸约为200 nm，这种亚微米级的粒子携带蛋白、抗体和药物可以用于癌症的诊断和治疗。这种局部治疗效果好，副作用少。
2.3 纳米脂质体—仿生物细胞的药物载体
脂质体（Liposome)是一种定时定向药物载体，属于靶向给药系统的一种新剂型。20世纪60年代，英国Bangham AD首先发现磷脂分散在水中构成由脂质双分子层组成的内部为水相的封闭囊泡，由双分子磷脂类化合物悬浮在水中形成的具有类似生物膜结构和通透性的双分子囊泡称为脂质体。70年代初，Rahman YE等在生物膜研究的基础上，首次将脂质体作为酶和某些药物的载体。纳米脂质体作为药物载体的优点：①由磷脂双分子层包封水相囊泡构成，与各种固态微球药物载体相区别，脂质体弹性大，生物相容性好；②对所载药物有广泛的适应性，水溶性药物载入内水相，脂溶性药物溶于脂膜内，两亲性药物可插于脂膜上，而且同一个脂质体中可以同时包载亲水和疏水性药物；③磷脂本身是细胞膜成分，因此纳米脂质体注入体内无毒，生物利用度高，不引起免疫反应；④保护所载药物，防止体液对药物的稀释，及被体内酶的分解破坏。纳米粒子将使药物在人体内的传输更为方便。对脂质体表面进行修饰，譬如将对特定细胞具有选择性或亲和性的各种配体组装于脂质体表面，以达到寻靶目的。以肝脏为例，纳米粒子—药物复合物可通过被动和主动两种方式达到靶向作用：当该复合物被Kupffer细胞捕捉吞噬，使药物在肝脏内聚集，然后再逐步降解释放入血液循环，使肝脏药物浓度增加，对其它脏器的副作用减少，此为被动靶向作用；当纳米粒子尺寸足够小约100～150 nm且表面覆以特殊包被后，便可以逃过Kupffer细胞的吞噬，靠其连接的单克隆抗体等物质定位于肝实质细胞发挥作用，此为主动靶向作用。用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。
纳米粒作为输送多肽与蛋白质类药物的载体是令人鼓舞的，这不仅是因为纳米粒可改进多肽类药物的药代动力学参数，而且在一定程度上可以有效地促进肽类药物穿透生物屏障。纳米粒给药系统作为多肽与蛋白质类药物发展的工具有着十分广泛的应用前景［8］。
2.4 DNA纳米技术和基因治疗
DNA纳米技术(DNA nanotechnology)是指以DNA的理化特性为原理设计的纳米技术，主要应用于分子的组装。DNA复制过程中所体现的碱基的单纯性、互补法则的恒定性和专一性、遗传信息的多样性以及构象上的特殊性和拓扑靶向性，都是纳米技术所需要的设计原理［9］。现在利用生物大分子已经可以实现纳米颗粒的自组装。将一段单链的DN断连接在13 nm直径的纳米金颗粒A表面，再把序列互补的另一种单链DN断连接在纳米金颗粒B表面，将A和B混合，在DNA杂交条件下，A和B将自动连接在一起［10］。利用DNA双链的互补特性，可以实现纳米颗粒的自组装。利用生物大分子进行自组装，有一个显著的优点：可以提供高度特异性结合，这在构造复杂体系的自组装方面是必需的。
美国波士顿大学生物医学工程所Bukanov等研制的PD环(PD?loop)(在双链线性DNA中复合嵌入一段寡义核苷酸序列)比PCR扩增技术具有更大的优越性；其引物无须保存于原封不动的生物活性状态，其产物具有高度序列特异性，不像PCR产物那样可能发生错配现象。PD环的诞生为线性DNA寡义核苷酸杂交技术开辟了一条崭新的道路，使从复杂DNA混合物中选择分离出特殊DN段成为可能，并可能应用于DNA纳米技术中［11］。
基因治疗是治疗学的巨大进步，质粒DNA插入目的细胞后，可修复遗传错误或可产生治疗因子(如多肽、蛋白质、抗原等)。利用纳米技术，可使DNA通过主动靶向作用定位于细胞；将质粒DNA浓缩至50～200 nm大小且带上负电荷，有助于其对细胞核的有效入侵；而质粒DNA插入细胞核DNA的位点则取决于纳米粒子的大小和结构。此时的纳米粒子是DNA本身所组成，但有关它的物理化学特性尚有待进一步研究［12］。
2.5 纳米细胞分离技术
20世纪80年代初，人们开始利用纳米微粒进行细胞分离，建立了用纳米SiO2微粒实现细胞分离的新技术。其基本原理和过程是：先制备SiO2纳米微粒，尺寸大小控制在15～20 nm,结构一般为非晶态，再将其表面包覆单分子层。包覆层的选择主要依据所要分离的细胞种类而定，一般选择与所要分离细胞有亲和作用的物质作为附着层。这种SiO2纳米粒子包覆后所形成复合体的尺寸约为30 nm。第二步是制取含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液，适当控制胶体溶液浓度。第三步是将纳米SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中，再通过离心技术，利用密度梯度原理，使所需要的细胞很快分离出来。此方法的优点是：①易形成密度梯度；②易实现纳米SiO2粒子与细胞的分离。这是因为纳米SiO2微粒是属于无机玻璃的范畴，性能稳定，一般不与胶体溶液和生物溶液反应，既不会沾污生物细胞，也容易把它们分开。
3 发展趋势
跨入21世纪后的未来二三十年，数学、化学、物理学等基础研究的进展将扩大纳米技术的应用范围，使纳米技术与物医学的联系更加紧密，其发展趋势是：①生体相容性好的钛合金等物质将逐步开发［13］，并进入临床试验阶段；②纳米技术与分子生物学技术相结合，将有助于揭示生物大分子各级结构与功能的破译；③纳米生物技术将使药物的生产实现低成本、高效率、自动化、大规模，而药物的作用将实现器官靶向化［14］； ④纳米生物技术应用于分子之间的相互作用、分子复合物和分子组装的研究将在病毒结构、细胞器结构细节和自身装配机制上取得进展［15］；⑤纳米生物技术将使生物活性分子诊断、检测技术向微型、微观、微量、微创或无创、快速、实时、遥距、动态、功能性和智能化的方向发展。
有人预测，二三十年后，医生使用纳米技术只需检测几个细胞就能判断出病人是否患上癌症或判断胎儿是否有遗传缺陷。妇女怀孕8个星期左右，在血液中开始出现非常少量的胎儿细胞，用纳米微粒很容易将这些胎儿细胞分离出来进行诊断。在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排异反应。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。
生物医学技术分析:生物医学在体成像技术作用
本文作者：兰海云 汪爱勤 尹文 单位：第四军医大学基础医学部 第四军医大学基础医学部 第四军医大学中心实验室
在体成像技术的发展及成像策略的不断提高，能够在活的生物体内揭示细胞和分子水平的诸多细微变化，有助于在生物整体、真实的体内环境中高时间分辨率地研究生命过程。针对某一生物过程的带有光学标记的报告基因已被广泛应用于细胞生物学的研究，近年来正被更多地用于在活的动物模型中探究人体内生理机能和疾病的生物学过程。利用荧光蛋白、萤光素酶基因等生物材料标记细胞、病原体和基因，早已被证实是一种在体内设置“检测器”、体外直观检测的非常可行的策略[1]。
1在体生物发光成像技术的原理
通过生物技术将构建的以萤光素酶基因作为标记基因的载体（重组原核表达质粒、重组真核表达质粒或重组病毒），经转化、转染或感染并筛选得到重组病原菌、细胞（如免疫细胞、肿瘤细胞、胚胎干细胞等）或重组病毒（如腺病毒、慢病毒、逆转录病毒等）用于转入小动物；或是将含萤光素酶及调控序列的载体线性化后经显微注射等技术稳定整合于小动物基因组制备转基因动物[2－4]。标记基因的表达可通过多种调控元件进行调控，如靶基因的启动子和增强子等；标记的方法因研究领域、研究目的和实验策略的不同而各异[4]，但最终都是在体内组织如血液、肝脏、脑、脾、肾等靶部位因特定生物过程的发生而伴随产生有酶活性的萤光素酶。在注入底物即萤光素的条件下，萤光素酶催化底物反应产生特定波长的光信号，通过成像系统可以直观检测到光信号的产生及变化，实时反映体内发生的生物过程，如基因的调控表达、信号传导、蛋白质之间的相互作用、细胞增殖与分化等。因此，在体生物发光成像技术可广泛应用于分子生物学、细胞生物学、病毒学与免疫学、肿瘤学等研究领域[5－8]。
2在体生物发光成像技术的应用
2．1标记于肿瘤细胞、免疫细胞、胚胎干细胞等，转入体内后进行成像
萤光素酶基因作为一种报告基因，最初应用于体外培养细胞内目的基因的表达研究。在体生物发光成像技术的发展，使其能够应用于在体组织细胞的表达研究[9]。萤光素酶是一类生物发光酶，1种细胞可同时被2种具有不同底物的萤光素酶标记。例如其一可由一组成性稳定表达的启动子驱动，作为内参，反应细胞数量的变化；另一萤光素酶由要研究的组织特异性启动子驱动，其发光信号的变化，在消除细胞数量变化的影响后就可反映特定的启动子在动物体内的表达活性[10－11]。
2．1．1肿瘤及抗肿瘤研究在体生物发光成像技术可直接实时地监测各种癌症模型中肿瘤的生长和转移，并可对癌症治疗中癌细胞的变化进行实时观测和评估，能够无创伤地定量检测小鼠整体的原位瘤、转移瘤及自发瘤。Klerk等[12]研究证实了利用此技术测量肿瘤负荷具有很高的性。Minn等[13]应用该技术进行了乳腺癌肺转移相关基因的研究，他们构建能够表达荧光蛋白、萤光素酶的反转录病毒载体，并稳定转染已获得的不同亚群肿瘤细胞，先通过荧光激活细胞分选术筛选同一亚群内具有相同转染效果（稳定表达外源蛋白即荧光蛋白和萤光素酶，且水平一致）的细胞，并尾静脉注射免疫缺陷小鼠，通过检测生物发光的部位和大小，评价不同亚群肿瘤细胞向肺部位的转移情况及其转移能力，再通过检测细胞内各基因的表达差异来分析肺转移相关基因。Gupta等[15－16]又用相似的方法来研究乳腺癌脑转移相关基因及乳腺癌肺转移过程中分化基因介导的肿瘤再起始，结果再次显示了生物发光成像技术应用于肿瘤及癌转移机理研究领域的优越性。
2．1．2抗肿瘤免疫及肿瘤细胞疫苗的研究用带有生物发光标记基因的小鼠淋巴细胞或基因修饰的肿瘤细胞疫苗，可以检测放射及化学药物治疗的效果，并可寻找在肿瘤骨髓转移及抗肿瘤免疫治疗中复杂的细胞机制。Cayeux等[17]用萤光素酶基因标记基因修饰的肿瘤细胞疫苗来免疫小鼠，而用另一种底物不同于前者的5，6－carboxy－succinimidyl－fluorescein标记该小鼠内一种与肿瘤相关的免疫细胞，通过2种不同的标记研究了基因修饰的肿瘤细胞疫苗免疫小鼠后抗原递呈、免疫细胞之间的相互作用及不同免疫细胞在体内免疫过程中的作用。
2．1．3药物促肿瘤细胞凋亡的研究当萤光素酶与抑制多肽以融合蛋白形式在哺乳动物细胞中表达，产生的融合蛋白无萤光素酶活性，细胞不能发光，而当细胞发生凋亡时，活化的caspase－3在特异识别位点切去抑制多肽，萤光素酶活性得到恢复，由此可用于观察活体动物体内的细胞凋亡相关事件。细胞凋亡时被激活的caspase－3／7与DEVD－氨基萤光素（aminoluciferin）特异结合而被酶解为氨基萤光素，它可被萤光素酶识别而产生生物发光信号。Liu、Hickson等[18－19]利用这一现象设计的细胞凋亡检测方法均能够以极低的DEVD－氨基萤光素量获得较强的发光强度，因而这一方法可用于评价TNFα（α肿瘤坏死因子）、FasL、TRAIL（TNF相关促凋亡配体）等因素针对肿瘤的治疗效果。
2．1．4胚胎干细胞及再生医学的研究胚胎干细胞在再生医学领域具有应用前景，然而注入活机体的胚胎干细胞及其分化细胞尚存在显著的细胞死亡、畸胎瘤的形成、宿主免疫排斥反应等障碍。应用在体生物发光成像技术，可对胚胎干细胞本身及其在注入机体后的存活、增殖、分化等生物事件的发生机理进行深入研究，从而使上述诸多问题得以解决[20]。
2．2标记病原微生物，用于研究感染致病机制、转移途径及宿主免疫反应等
在感染性疾病的研究中，在体生物发光成像技术的应用，不仅可以提供疾病进程中观测病原体在动物体内的寄居部位、数量变化及对外界因素的反应等实时变化信息，而且更有助于揭示感染体内病原体逃逸宿主防御的机制[21]。对病原体感染过程非侵入性的检测能够对疾病进程实时地提供新的信息，且有可能发现新的感染位点[22]。Lucker等[23－26］以萤光素酶基因标记HSV－1（单纯疱疹病毒）并分别侵染Ⅰ类干扰素受体缺失、Ⅱ类干扰素受体缺失、Ⅰ和Ⅱ类干扰素受体均缺失的小鼠，可观察到HSV－1对不同干扰素受体缺失小鼠的肝脏、肺、脾、淋巴结的侵袭，及病毒从血液系统进入神经系统的过程，从而证实了不同干扰素在HSV－1感染中所起的不同的作用。Lucker等[27]针对痘苗病毒的类似研究也证实，不同干扰素在机体感染过程中各自和协同发挥的重要作用。#p#分页标题#e#
2．3标记于基因治疗载体用于探究基因治疗机制和评价治疗效果
将一个或多个目的基因安全有效地转入体内靶细胞可用于基因治疗，应用萤光素酶基因作为报告基因构建载体，观察目的基因是否能够在试验动物体内持续高效和特异性表达。这种非侵入方式具有容易准备、低毒性及轻微免疫反应的优点。萤光素酶基因也可以插入脂质体包裹的DNA分子中，用来观察脂质体为载体的DNA运输和基因治疗情况。Smith等[28]已经运用该技术进行了HSV作为肝脏疾病基因治疗载体的可行性研究。Chou等[29]将带有萤光素酶基因标记的稳定表达肝细胞癌抗原的质粒转入沙门菌减毒株，并作为疫苗口服免疫模型小鼠，在体成像显示了体内沙门菌成功表达抗原和沙门菌作为活菌疫苗在体内的清除过程。
2．4蛋白质间相互作用、信号转导等的研究
蛋白片段互补策略广泛用于研究细胞内蛋白质间的相互作用，这种策略在借助在体生物发光成像技术后就可以被运用到活体动物内，以非侵入、可量化、实时地显示蛋白质之间的相互作用[31]。在动物体内直接观察细胞中或活体动物体内2种蛋白质的相互作用，可将Firefly萤光素酶（Fluc）的N端与C端分离开，分别与2个可能产生相互作用的目的蛋白相连，并使2组蛋白由不同的载体分别诱导表达。在体的细胞内若2个目的蛋白能靠近并结合形成完整的Fluc，则会产生发光信号。Andrea等[32]建立了一种转基因报告小鼠，由特异启动子（TgG4F（＋／－））及其转录反式作用因子多联体蛋白Gal4进行调控。将融合了Gal4BD的p53和融合了VP16的TAg的病毒载体共转入该小鼠的肝脏细胞，在小鼠肝脏部位观察到了明显的发光信号，显示p53与TAg的结合引发Gal4BD与VP16结合，结合的多联蛋白顺利与启动子TgG4F（＋／－）结合，进而引发Fluc在肝脏组织的表达。
2．5体内干扰RNA及DNA疫苗的研究
目前RNA干扰技术已经发展成为一种体外转录后沉默基因的方法，在体内RNA干扰的转录后表达沉默可以引起各种广泛的生物学效应，因此生物发光在体成像技术有力地促进了体内RNA干扰的研究和在体内利用RNA干扰技术进行其他疾病机理及生物治疗的探索。McCaffrey[33]等通过将表达萤光素酶的真核表达载体与针对萤光素酶基因设计的双链小干扰RNA（siRNA）共注射成年小鼠，与对照组比较，前者的荧光强度明显减弱，表明针对性的双链siRNA明显起到抑制基因表达的作用。他们还构建表达功能性小发夹RNA（shRNA）的真核表达载体，与表达萤光素酶的载体共注射成体小鼠，与对照组相比，同样观察到长时程后荧光强度明显减弱。RNA干扰技术成功用于临床治疗须保障双链siRNA有效转入体内并维持有效的浓度，而借助在体生物发光成像技术则可便捷地评价双链siRNA运送方法的效果。Takeshita等[34－36]已利用该技术分别对各自所设计的不同的双链siRNA运送方法进行了的评价，并发现合理的运送方法，如双链siRNA与某些小分子化合物的连接修饰与单独的注射双链siRNA相比，前者能使双链siRNA在体内较长时间内不被降解。RNA干扰可作为传统DNA疫苗的补充，被用以在体内消除免疫抑制因子表达。DNA疫苗的效应常常因相关的信号转导途径下调该获得性免疫反应而受到限制。因此，免疫抑制性的信号途径的沉默将是DNA疫苗效能得到加强的一种极有潜力的策略。Huang等[37]应用在体生物发光技术所做的研究结果显示，皮下注射编码shRNA的DNA，可以作为体内基因沉默和一种能够有效提高DNA疫苗效果的手段。
2．6标记于转基因载体建立转基因动物模型
2．6．1基因表达动物模型为研究目的基因是在何时、何种刺激下表达的，可将萤光素酶基因插入目的基因启动子的下游，并稳定整合于实验动物染色体中，形成转基因动物模型。可用于研究动物发育过程中特定基因的时空表达情况，观察药物诱导特定基因表达及其他生物事件引起的相应基因表达或关闭。Chen等[37]将受胰岛素调控启动子调控表达萤光素酶的转基因小鼠制成糖尿病小鼠模型，采用在体生物发光成像技术证实了肝脏组织中含有可生成胰岛素的细胞。研究结果也证实了在转录调控序列和反式转录因子与目的基因相同的情况下，萤光素酶的表达水平及底物发光强度能够真实反映目的基因的表达状况。目前对于调控多药耐药性基因－1（mdr－1a）表达的关键因子和胞内微环境的机制尚不明了，使多药耐药性依然成为对癌症患者成功化疗的一大障碍。为深入研究mdr－1a在体内组织中转录调控的机制，Long等[38]通过胚胎干细胞同源重组、遗传杂交的手段构建了基因型为mdr－1a＋／Fluc的转基因小鼠（野生型基因型为mdr－1a＋／＋）。mdr－1a＋／Fluc中Fluc已置于mdr－1a开放读码框中，其表达受内源性mdr－1a启动子及相应各种反式作用因子的调控，Western印迹等不同方法均验证了该模型mdr－1a的表达量与Firefly萤光素酶蛋白表达、发光强度成正比。该小鼠体内Fluc的表达与mdr－1a的表达在时间、所处的微环境均一致，可作为研究各种因素下mdr－1a表达调控的理想的动物模型。类似的研究所建立的模型能弥补体外细胞培养不能提供的特定基因表达的真实微环境的缺点，也能弥补基因敲除小鼠存在的代偿效应等不足[39]。
2．6．2各种疾病模型研究者根据研究目的，将致病基因、病毒及细菌进行萤光素酶标记，转入动物体内形成所需的疾病模型，包括免疫系统疾病、感染疾病等。除可提供靶基因在体内的实时表达和对候选药物的反应，还可以用来评估候选药物和其他化合物的毒性，为药物在疾病中的作用机制及效用提供研究方法。Hsieh[40－41]等将受前列腺特异性抗原启动子调控表达萤光素酶转基因小鼠（sPSA－Luc），与前列腺癌转基因模型小鼠TRAMP杂交，经检测筛选得到的子代小鼠TRAMP－Luc随前列腺特异性抗原的表达稳定产生萤光素酶。因此，该小鼠借助在体生物发光成像技术已被成功地用于前列腺癌的发生及转移研究。
3在体生物发光成像技术的发展趋势
近年来针对生物发光成像过程的三大要素，即萤光素酶、底物、成像设备的研究不断取得新进展。研究人员应用遗传学手段，在基因、蛋白水平对各种萤光素酶的分子结构进行改造，获得了新的萤光素酶，使底物发光的波长发生明显的红移（使发光波长变长）从而减少了光穿透机体组织时的光吸收，提高了萤光素酶在哺乳动物细胞中表达的稳定性，改变了酶在组织细胞中的半衰期。与原先的天然萤光素酶相比，通过改进得到的各种萤光素酶在体内表达的稳定性、催化底物的反应等方面得到了优化，不仅增加了发光输出量，更能适应不同时程的成像方式[42－46]。各种萤光素酶与体内不同组织对应着独特的动力学特征。研究人员试图通过优化发光底物转入体内的方式、底物在体内的释放方式、对细胞内底物摄入相关蛋白加以限制，以及对底物本身的结构加以改造等手段，来满足体内不同时程生物过程的动态性研究。Kheirolomoom等[47]分别用长循环脂质体和温度敏感型脂质体包裹萤光素并转入体内。前者萤光素酶以一定水平正常表达时发光依赖于体内萤光素的释放。今后，通过选择合适的包裹材料（如设计合理的脂质体）或其他运载方式（如植入性微渗透泵[48]），可能使底物在体内较长时间内保持相对恒定的释放速率，使底物浓度保持稳定。#p#分页标题#e#
这样，发光强度在一定时间内取决于萤光素酶的表达水平。而温度敏感型脂质体可以被直接运到肿瘤组织中，通过一次超声热处理，可以引发一次爆发式快速释放，这种温度敏感型脂质体则可以实现定点转入和定点释放底物。萤光素酶底物进入细胞的过程受细胞内某些自身蛋白的影响。Zhang等[49]发现ABC家族的乳腺癌耐性蛋白（ABCG2／BCRP）作为重要的膜转运蛋白，其表达水平和特异结构域的功能影响萤光素的摄入过程，因而影响生物发光信号的产出。这就提示，一方面可通过降低或消除此类蛋白对底物进入靶细胞的影响，使发光信号相对地较大化，另一方面可被用于高效筛选针对ABCG2／BCRP的药物抑制剂[50]。从某些细菌得到的萤光素酶基因均位于一个操纵子内，且操纵子内除含有萤光素酶基因外，还包含整套底物合成酶基因，因此，将该操纵子稳定转入的细菌侵染动物模型后，无需外源底物就能实现成像[51]。若将这类细菌来源的萤光素酶应用于动物细胞，可能更有利于在体发光成像。但这是否可行，目前尚未见相关报道。成像设备方面的进展不仅提高了设备的灵敏度，而且使功能更加，数据采集与分析更加。例如，已经应用三维成像技术使信号定位更明确、分析更。随着在体生物发光成像技术的逐步成熟，必将使其更广泛地应用于生物医学研究的各领域。
生物医学技术分析:生物医学图像信息技术论文
1生物医学图像信息技术的应用分析
目前，生物医学图像信息技术主要包括生物医学图像传输、图像管理、图像分析、图像处理几方面。这些技术同以前的图像技术、医学影像技术都有一定的联系，其在涵盖以往图像技术、医学影像技术的同时，也具有自身的特点，与传统的图像和医学影像技术相比，生物医学图像信息技术更加强调在医学图像信息收集、处理等过程中应用计算机信息技术。
1.1图像成像
从本质上来看，生物医学图像成像技术（下文简称“图像成像技术”）与医学影像技术的区别并不大，仅仅是人们更习惯将其表达为医学影像。生物医学图像成像技术的研究内容为：利用染色方法和光学原理，清晰地表达出机体内的相关信息，并将其转变为可视图像。图像成像技术研究的图像对象有：人体的标本摄影图像、观察手绘图像、断层图像（如ECT、CT、B超、红外线、X光）、脏器内窥镜图像、激光共聚焦显微镜图像、活细胞显微镜图像、荧光显微镜图像、组织细胞学光学显微镜图像、基因芯片、核酸、电泳等显色信息图像、纳米原子力显微镜图像、超微结构的电子显微镜图像等等。
图像成像技术主要包括2个部分：现代数字成像和传统摄影成像。通常可采用扫描仪、内窥镜数码相机、采集卡、数字摄像机等进行数字图像采集；显微图像采集则可应用光学显微镜成像设备及超微结构电子显微镜成像设备；特殊光源采集可应用超声成像仪器、核磁共振成像仪器及X光成像设备。目前，各种医学图像技术的发展都十分迅速，特别是MRI、CT、X线、超声图像等技术。在医学图像成像技术方面，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体化学成分检测方面，已经引起了相关领域的重视。
1.2图像处理
生物医学图像处理技术，是指应用计算机软硬件对医学图像进行数字化处理后，进行数字图像采集、存储、显示、传输、加工等操作的技术。图像处理是对获取的医学图像进行识别、分析、解释、分割、分类、显示、三维重建等处理，以提取或增强特征信息。目前，医学领域所应用的图像处理技术种类较多，统计学知识、成像技术知识、解剖学知识、临床知识等的图像处理均得到了较快的发展。另外，人工神经网络、模糊处理等技术也引起了图像处理研究领域的广泛重视。
1.3图像分析及图像传输
生物医学图像分析技术，是指测量和标定医学图像中的感兴趣目标，以获取感兴趣目标的客观信息，建立相应的数据描述。通过计算测定的图像数据，可揭示机体功能及形态，推断损伤或疾病的性质及其与其他组织的关系，进而为临床诊断、治疗提供依据。生物医学图像传输技术，是指应用网络技术，在互联网上开展医学图像信息的查询与检索。通过网上传输图像，在异地间进行图像信息交流，可实现远程诊断。同时，在院内通过PACS（数字医学系统—医学影像存档与通信系统），也能在医院内部实现医学图像的网络传递。
2总结
医学图像不仅形象、直观，同时信息含量也十分丰富，且易于存储和观察，所以其在现代医学实验研究及临床诊断中所占据的地位也日益重要。生物医学图像信息技术的应用水平也已经成为衡量现代医院医疗设备现代化水平和诊断水平的一个重要标志，由此可见生物医学图像信息技术在生物医学领域的发展前景必将十分乐观。
作者：郜璐璐 单位：山西医科大学医学影像学系
