Revvity小動(dòng)物活體光學(xué)成像技術(shù)已在生命科學(xué)基礎(chǔ)研究、臨床前醫(yī)學(xué)研究及藥物研發(fā)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中，感染性疾病研究是活體光學(xué)成像技術(shù)的應(yīng)用熱點(diǎn)之一。

在應(yīng)用活體光學(xué)成像技術(shù)進(jìn)行感染性疾病研究中，常用的標(biāo)記方法及應(yīng)用領(lǐng)域包括：

1、利用螢火蟲(chóng)熒光素酶基因、海腎熒光素酶基因或細(xì)菌熒光素酶基因標(biāo) 記細(xì)菌、病毒、真菌、寄生蟲(chóng)等病原體，在活體水平觀測(cè)這些病原體在動(dòng)物體內(nèi)的感染 情況及抗生素、疫苗等藥物的治療效果；

2、通過(guò)熒光素酶基因或熒光蛋白基因標(biāo)記 免疫細(xì)胞，以及利用特定基因-熒光素酶基因轉(zhuǎn)基因動(dòng)物，觀測(cè)病原體感染所引發(fā)的機(jī) 體免疫應(yīng)答及致病機(jī)理。

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病原體在體內(nèi)動(dòng)態(tài)感染情況

利用 PCR、免疫切片等傳統(tǒng)方法對(duì)感染性疾病進(jìn)行研究時(shí)，需要耗費(fèi)大量的人力物 力，且不能實(shí)現(xiàn)在同一只活體小鼠中長(zhǎng)期觀測(cè)病原體的動(dòng)態(tài)感染情況，因而無(wú)法獲得準(zhǔn) 確的重復(fù)性數(shù)據(jù)。小動(dòng)物活體光學(xué)成像技術(shù)的出現(xiàn)，使得研究者能夠通過(guò)一定的方式對(duì) 細(xì)菌、病毒、真菌、寄生蟲(chóng)等病原體進(jìn)行光學(xué)標(biāo)記，并利用活體光學(xué)成像系統(tǒng)長(zhǎng)期觀測(cè) 病原體在體內(nèi)的動(dòng)態(tài)感染情況，在節(jié)省實(shí)驗(yàn)耗材及簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作的同時(shí)，可獲得更加直 觀準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在觀測(cè)細(xì)菌感染方面，研究者既可利用螢火蟲(chóng)熒光素酶基因、海腎熒光素酶基因等 常用于標(biāo)記真核細(xì)胞的報(bào)告基因進(jìn)行標(biāo)記，也可利用從某些發(fā)光細(xì)菌中提取的 lux 發(fā)光基因操縱子進(jìn)行標(biāo)記。后者的好處是，lux 操縱子中已含有表達(dá)熒光素酶及其底物的序列，因此無(wú)需再外源注射底物即可成像。

Revvity提供多種商業(yè)化的經(jīng)細(xì)菌熒光素酶基因標(biāo)記的生物發(fā)光細(xì)菌菌種（如下圖所示）：

研究者通過(guò)購(gòu)買這些生物發(fā)光細(xì)菌，即可立即開(kāi)展相關(guān)研究，無(wú)需自行標(biāo)記。如 Hardy 等利用 IVIS 系統(tǒng)觀測(cè)了細(xì)菌熒光素酶基因標(biāo)記的單核細(xì)胞增多性李斯特菌（Listeria monocytogenes）在小鼠體內(nèi)的時(shí)空分布，如下圖：

應(yīng)用 IVIS 系統(tǒng)觀測(cè)不同時(shí)間點(diǎn)李斯特菌在小鼠體內(nèi)的感染情況。A.尾靜脈注射；B.口腔注射。

研究者在通過(guò)尾靜脈注射李斯特菌感染多只小鼠后發(fā)現(xiàn)，幾乎在所有被感染小鼠中，該細(xì)菌都會(huì)特異性分布于小鼠胸部，經(jīng)手術(shù)將發(fā)光組織取出后發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌主要集中于膽囊 內(nèi)腔（the lumen of the gall bladder），如下圖所示。細(xì)菌在膽囊內(nèi)腔的存留是一個(gè)非常危險(xiǎn)的信號(hào)，因?yàn)槟懩覂?nèi)腔由于含有高濃度的膽汁而導(dǎo)致免疫細(xì)胞無(wú)法進(jìn)入發(fā)揮免疫保 護(hù)作用，并且膽囊本身又對(duì)抗生素具有抵抗性，因此，細(xì)菌可以在此區(qū)域長(zhǎng)期潛伏并隨時(shí)發(fā)作。

應(yīng)用 IVIS 系統(tǒng)觀測(cè)到李斯特菌在膽囊內(nèi)腔的特異性分布。左：感染 25 只小鼠，在 24 只中觀測(cè)到李 斯特菌在膽囊內(nèi)腔的分布；右：將胸部發(fā)光組織取出后確認(rèn)為膽囊內(nèi)腔。

研究者接下來(lái)探討了李斯特菌在膽囊內(nèi)腔的分布是否具有傳染性。由于膽囊在機(jī)體未進(jìn) 食時(shí)會(huì)大量存儲(chǔ)由肝臟分泌的膽汁而處于擴(kuò)張狀態(tài)，而當(dāng)機(jī)體進(jìn)食后，膽囊會(huì)收縮并將 膽汁通過(guò)膽管排入小腸而輔助對(duì)食物中的脂肪進(jìn)行消化。因此，研究者通過(guò)對(duì)被感染的 小鼠禁食后再喂食，觀測(cè)李斯特菌是否能夠通過(guò)膽汁排泄途徑而進(jìn)入消化道。結(jié)果顯示， 李斯特菌確實(shí)能夠通過(guò)膽汁排泄途徑而進(jìn)入小腸（如下圖），并可能通過(guò)消化道的排泄 進(jìn)入外界環(huán)境而具有傳染性。綜上所述，研究者利用活體光學(xué)成像技術(shù)，系統(tǒng)的研究了 李斯特菌在小鼠體內(nèi)的感染分布、潛伏及潛在的傳染途徑，為該類疾病的治療提供了依據(jù)。

應(yīng)用 IVIS 系統(tǒng)觀測(cè)李斯特菌經(jīng)膽汁排泄途徑由膽囊進(jìn)入消化道。B、C 分別為再喂食后 5min 及 50min 成像結(jié)果。

01

細(xì)菌生物膜的研究

對(duì)細(xì)菌生物膜（Bacterial Biofilm）的研究也是細(xì)菌感染研究的一大熱點(diǎn)。細(xì)菌生物膜是細(xì)菌在生長(zhǎng)過(guò)程中附著于物體表面而形成的由細(xì)菌細(xì)胞及其分泌的含水聚合性基 質(zhì)（主要為胞外多糖）等所組成的膜樣多細(xì)菌復(fù)合體。生物膜是細(xì)菌適應(yīng)生存環(huán)境而形 成的與游走態(tài)細(xì)胞相對(duì)應(yīng)的存在形式，它具有很強(qiáng)的抵抗機(jī)體免疫和抗生素的能力，在 臨床上形成難治性感染。Bernthal 等通過(guò)在小鼠下肢股骨遠(yuǎn)端插入接種了生物發(fā)光金黃 色葡萄球菌（S. aureus）的不銹鋼針，模擬了人關(guān)節(jié)成形手術(shù)后經(jīng)常發(fā)生的細(xì)菌生物膜 形成，并用 IVIS 系統(tǒng)及變壓掃描電鏡（VP-SEM）觀測(cè)了細(xì)菌感染及生物膜的形成（如 下圖）。這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕殚_(kāi)發(fā)有效的治療手段及抗菌劑提供了有力工具。

通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)觀測(cè)關(guān)節(jié)成形術(shù)后 S. aureus 的感染及生物膜的形成。A.模擬實(shí)驗(yàn)示意圖及鋼針移植后 X 光成像結(jié)果；B.應(yīng)用 IVIS 系統(tǒng)觀測(cè)不同數(shù)量生物發(fā)光 S. aureus 在關(guān)節(jié)處的感染情況；C.應(yīng)用 VP-SEM 觀 測(cè)細(xì)菌生物膜的形成。

在病毒研究方面，研究者通常將螢火蟲(chóng)熒光素酶基因插入病毒 DNA 中標(biāo)記病毒， 進(jìn)而觀測(cè)病毒在活體動(dòng)物體內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化。Milho 等人利用 IVIS 系統(tǒng)觀測(cè)比較了經(jīng)不同途徑感染小鼠的鼠源皰疹病毒（murine herpesvirus-4, MuHV-4）在小鼠體內(nèi)的感染分布情況。結(jié)果顯示，經(jīng)鼻腔感染的病毒，在感染早期主要分布于小鼠的鼻腔及肺，隨著時(shí) 間的延長(zhǎng)，病毒將集中分布于頸部淋巴結(jié)及脾等淋巴組織；經(jīng)腹腔接種的病毒，在感染 早期分布于腹部的多個(gè)器官（如肝、脾、腎、腸、生殖系、隔膜），所時(shí)間的延長(zhǎng)，病 毒將集中分布于脾及腸系膜淋巴結(jié)。因此，病毒的不同感染途徑可能會(huì)引起不同的發(fā)病機(jī)制。

應(yīng)用 IVIS 系統(tǒng)觀測(cè) MuHV-4 病毒經(jīng)不同途徑接種后的感染情況。上，活體成像結(jié)果；下，將不同器 官取出后體外成像結(jié)果。

與細(xì)菌、病毒感染研究類似，研究者也可通過(guò)熒光素酶基因標(biāo)記寄生蟲(chóng)，觀測(cè)其在 活體動(dòng)物體內(nèi)的感染情況。如 Claes 等人利用 IVIS 系統(tǒng)觀測(cè)了經(jīng)海腎熒光素酶基因標(biāo)記的布氏錐蟲(chóng)（Trypanosoma brucei）在小鼠體內(nèi)的感染情況。體內(nèi)及體外成像結(jié)果顯示， 經(jīng)腹注射后，布氏錐蟲(chóng)選擇性分布于睪丸。布氏錐蟲(chóng)在睪丸的選擇性分布可能會(huì)使其避 開(kāi)藥物的作用，因?yàn)樵S多藥物無(wú)法通過(guò)睪丸-血管屏障而進(jìn)入睪丸。隨后的給藥實(shí)驗(yàn)印 證了這種推斷，在布氏錐蟲(chóng)感染小鼠 5 天后，用蟲(chóng)草素（cordycepin）連續(xù)進(jìn)行三天處 理，停藥后在第 15 天發(fā)現(xiàn)睪丸處重新出現(xiàn)布氏錐蟲(chóng)生物發(fā)光信號(hào)。這一研究為開(kāi)發(fā)治 療布氏錐蟲(chóng)感染的有效藥物提供了依據(jù)。

應(yīng)用 IVIS 系統(tǒng)觀測(cè)布氏錐蟲(chóng)在小鼠體內(nèi)的感染情況。左，感染后不同時(shí)間點(diǎn)活體成像結(jié)果；右上， 取出睪丸后體外成像結(jié)果；右下，蟲(chóng)草素對(duì)布氏錐蟲(chóng)的治療效果觀測(cè)。

近些年，研究者也開(kāi)始利用熒光素酶基因標(biāo)記真菌，并通過(guò)活體光學(xué)成像系統(tǒng)觀測(cè)真菌在動(dòng)物體內(nèi)的感染情況。Doyle 等人應(yīng)用螢火蟲(chóng)熒光素酶基因標(biāo)記了從臨床病例中 獲得的白色念珠菌（Candida albicans），將該真菌尾靜脈注射入小鼠體內(nèi)構(gòu)建慢性敗血 癥感染模型，利用 IVIS 系統(tǒng)觀測(cè)了生物發(fā)光白色念珠菌在小鼠體內(nèi)的感染情況。體內(nèi) 及體外成像結(jié)果顯示，隨感染時(shí)間的延長(zhǎng)，該菌主要分布于小鼠腎臟（如下圖）。

應(yīng)用 IVIS 系統(tǒng)觀測(cè)白色念珠菌經(jīng)尾靜脈注射后在小鼠體內(nèi)的感染情況。A.體內(nèi)成像結(jié)果；B.體外成像結(jié)果。