光電技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用一現(xiàn)狀與發(fā)展

1、論文題目：光電技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展學(xué) 院專業(yè)名稱班級學(xué)號學(xué)生姓名2013年12月19日請瀏覽后下載，資料供參考，期待您的好評與關(guān)注！摘 要：簡要介紹光電技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的發(fā)展概況，從基因表達(dá)與蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互作用研究方面，重點討論了生物分子光子技術(shù)的特點與優(yōu)勢，闡明基于分子光學(xué)標(biāo)記的光學(xué)成像技術(shù)是重要的實時在體監(jiān)測手段，最后簡要討論了醫(yī)學(xué)光學(xué)成像技術(shù)在組織功能成像和腦功能成像中的應(yīng)用原理。關(guān)鍵詞：光電技術(shù)，醫(yī)學(xué)診斷與治療，分子光子學(xué)，醫(yī)學(xué)成像1.生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)發(fā)展簡介光電技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用實質(zhì)上就是生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的研究范疇。生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)是近年來受到國際光學(xué)界和生物醫(yī)學(xué)界廣

2、泛關(guān)注的研究熱點。在國際上一般稱為生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)或生物醫(yī)學(xué)光學(xué)。光子學(xué)以量子為單位，研究能量的產(chǎn)生、探測、傳輸與信息處理。光子技術(shù)在生物與醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用即定義為生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)，其相應(yīng)產(chǎn)業(yè)涉及人類疾病的診斷、預(yù)防、監(jiān)護(hù)、治療以及保健、康復(fù)等。研究內(nèi)容包括:光子醫(yī)學(xué)與光子生物學(xué)，X-射線成像，MRI ，PET等。近年來，生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)在生物活檢、光動力治療、細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能檢測、對基因表達(dá)規(guī)律的在體觀測等問題上取得了可喜研究成果，目前正在從宏觀到微觀多層面上對大腦活動與功能進(jìn)行研究。美國科學(xué)雜志在最近兒年已發(fā)表相關(guān)論文近20篇。隨著光子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)將在多層次上對研究生物體特別是人體的結(jié)

3、構(gòu)、功能和其他生命現(xiàn)象產(chǎn)生重要影響。在國際上已經(jīng)成立了國際生物醫(yī)學(xué)光學(xué)學(xué)會(International Biomedical Optics Society)，簡稱IBOS。IBOS每年與國際光學(xué)工程學(xué)會(SPIE)聯(lián)合舉辦學(xué)術(shù)會議。國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流方面，作為生物醫(yī)學(xué)工程和光學(xué)工程領(lǐng)域重要國際會議的“生物醫(yī)學(xué)光學(xué)國際學(xué)術(shù)研討會”(International BiomedicalOptics Symposium，簡稱BIOS)每年在美國和歐洲各舉辦一次。在國內(nèi)，國家自然科學(xué)基金委員會生命科學(xué)部與信息科學(xué)部聯(lián)合發(fā)起并承辦的全國光子生物學(xué)與光子醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)研討會已經(jīng)舉辦了六屆。在第六屆學(xué)術(shù)會議上發(fā)表學(xué)術(shù)論文

4、75篇，論文摘要27篇。從光電技術(shù)(或光子技術(shù))在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀可以看到，光子醫(yī)學(xué)與光子生物學(xué)的研究和應(yīng)用范圍是廣泛而且深入的，并正在形成有特色的學(xué)科和產(chǎn)業(yè)。例如，由于生物超微弱發(fā)光與生物體內(nèi)的細(xì)胞分裂、細(xì)胞死亡、光合作用、生物氧化、解毒作用、腫瘤發(fā)生、細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間的信息傳遞與功能調(diào)節(jié)等重要的生命過程有著密切的聯(lián)系，基于生物超微弱發(fā)光的生物光子技術(shù)在腫瘤診斷、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、食品監(jiān)測和藥理研究等方面己經(jīng)得到應(yīng)用。下面主要從生物分子光子技術(shù)和醫(yī)學(xué)光學(xué)成像技術(shù)兩個方面介紹當(dāng)前的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。2.生物分子光子技術(shù)2.1現(xiàn)代分子生物學(xué)方法在研究基因表達(dá)和蛋白質(zhì)一蛋白質(zhì)相互作用中的局性現(xiàn)代

5、分子生物學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是隨著后基因組時代的到來，人們己經(jīng)能夠根據(jù)需要建立各種細(xì)胞和動物模型，為在體研究基因表達(dá)規(guī)律、分子間的相互作用、腫瘤細(xì)胞的增殖、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、誘導(dǎo)分化、細(xì)胞凋亡以及新的血管生成等提供了良好的生物學(xué)條件。 然而，盡管人們利用現(xiàn)有的分子生物學(xué)方法，已經(jīng)對基因表達(dá)和蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互作用進(jìn)行了深入、細(xì)致的研究，但仍然不能實現(xiàn)對蛋白質(zhì)和基因活動的實時、動態(tài)監(jiān)測。在細(xì)胞的生理過程中，基因、尤其是蛋白質(zhì)的表達(dá)、修飾和相互作用往往發(fā)生可逆的、動態(tài)的變化。目前的分子生物學(xué)方法還不能捕獲到蛋自質(zhì)和基因的這些瞬時、動態(tài)、可逆的變化，但獲取這些信息對與研究基因的表達(dá)和蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的相互作

6、用又至關(guān)重要。因此，發(fā)展能用于活體、動態(tài)、實時、連續(xù)監(jiān)測蛋白質(zhì)和基因活動的方法非常必要。由于生命機(jī)體的組成和活動在時間和空間這兩個基本要素上都是高度有序的，目前生物化學(xué)或分子生物學(xué)手段雖然可以在分子水平上說明生命基本的化學(xué)組成和基本反應(yīng)，但尚不能反映這些生物分子作用過程的時間、空間關(guān)系。因此非常有必要發(fā)展一種能對蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互作用進(jìn)行在體無損監(jiān)測的研究方法。光學(xué)成像技術(shù)與分子生物學(xué)技術(shù)的結(jié)合為研究上述科學(xué)問題提供了現(xiàn)實與可能。因此，在現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上，急需發(fā)展新的成像技術(shù)。在活體動物體內(nèi)，如何實現(xiàn)基因表達(dá)及蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互作用的實時在體成像監(jiān)測是當(dāng)前迫切需要解決的重大核心科學(xué)技術(shù)問題

7、！這是生物學(xué)、信息科學(xué)(光學(xué))和基礎(chǔ)臨床醫(yī)學(xué)等學(xué)科共同感興趣的重大基礎(chǔ)問題。對這一科學(xué)問題的研究不僅有助于闡明生命活動的基本規(guī)律、認(rèn)識疾病的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，而且對創(chuàng)新藥物研究、藥物療效評價以及發(fā)展疾病早期診斷技術(shù)(光子醫(yī)學(xué)診斷技術(shù))等產(chǎn)生重大影響。2. 2基于分子光學(xué)標(biāo)記的光學(xué)成像技術(shù)是重要的實時在體監(jiān)測手段 光學(xué)成像技術(shù)正成為實時在體研究分子間/分子內(nèi)蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互作用、離子通道、細(xì)胞膜蛋白及相關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、生化底物及酶轉(zhuǎn)運(yùn)等的重要手段，由于具有高時間、空間分辨率，比現(xiàn)有其他手段更為直接，因而可望成為后基因組時代新藥靶發(fā)現(xiàn)和高通量藥物篩選的新方法。 最新研究表明，隨著熒光基因標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展，光

8、學(xué)成像技術(shù)可以實時在體監(jiān)測腫瘤病理生理動力學(xué)過程，包括基因表達(dá)，血管生成，細(xì)胞粘附與遷移，血管、組織間隙和淋巴中的物質(zhì)傳輸，代謝微環(huán)境與藥物傳送等。 2002年出現(xiàn)了在活動物體內(nèi)對基因表達(dá)與蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互作用進(jìn)行在體監(jiān)測的報道，主要涉及報告基因標(biāo)記技術(shù)和微型正電發(fā)射斷層成像，但價格昂貴，難及普及。國內(nèi)還沒有實驗室裝備此設(shè)備。與光學(xué)成像檢測技術(shù)。最新的研究表明，采用報告基因的互補(bǔ)與重組策略，可很好地實現(xiàn)活動物體內(nèi)基因表達(dá)與蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互作用的無損在體光學(xué)成像監(jiān)測。 最新研究還表明(Nature Medicine 2002)，相干域光學(xué)成像技術(shù)可為藥代動力學(xué)和藥理學(xué)研究提供重要的實時在體成像監(jiān)

9、測手段。 因此，基于分子光學(xué)標(biāo)記的光學(xué)成像技術(shù)是開展基因表達(dá)及蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互作用規(guī)律研究的重要的實時在體監(jiān)測手段。隨著熒光基因標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)成像技術(shù)正在從分子、細(xì)胞水平到器官、整體水平實現(xiàn)多層次的分子與細(xì)胞事件的定量成像，因而倍受關(guān)注。綜合比較各種成像技術(shù)，光學(xué)成像具有如下優(yōu)點：高時間/空間分辨率；成像對比度直接與生物分子相關(guān)，適于重要疾病的基因表達(dá)、生理過程的在體成像；價格適中。盡管其測量范圍與測量深度有限，但適于小鼠或其它小動物的整體在體成像。2.3研究熱點與發(fā)展趨勢討論從前面的討論中可以看出，生物分子光子技術(shù)的研究應(yīng)該主要包括如下三個方面：1)生物分子的光學(xué)標(biāo)記新技術(shù)研究。針對所

10、研究的體系和對象，發(fā)展具有高度特異性的、可用于生物體內(nèi)活體成像的核酸和蛋白質(zhì)探針。例如：研制新的發(fā)光蛋白用于動物模型體內(nèi)，實現(xiàn)蛋白質(zhì)在動物體內(nèi)的表達(dá)成像研究；設(shè)計并合成新型的具有高特異性的核酸探針，實現(xiàn)基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的活體監(jiān)測；發(fā)展在活體細(xì)胞內(nèi)監(jiān)測蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的相互作用的新方法；發(fā)展新的表面修飾和標(biāo)記方法，將熒光納米顆粒作為探針，用于活體細(xì)胞和動物器官的基因表達(dá)和蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)實時在體光學(xué)成像研究。 2)在體光學(xué)成像新技術(shù)與應(yīng)用研究。針對不同的研究對象和應(yīng)用目標(biāo)，發(fā)展各種新型的在體光學(xué)成像技術(shù)。例如：實現(xiàn)小動物體內(nèi)深部目標(biāo)探測的擴(kuò)散光學(xué)成像方法；實現(xiàn)動物體內(nèi)藥代動力學(xué)和藥理學(xué)過程的實時在體成像監(jiān)測

11、的相干域光學(xué)成像方法；實現(xiàn)對動物體內(nèi)基因表達(dá)和分子間相互作用過程在體成像監(jiān)測的多光子熒光等非線性光學(xué)成像方法；實現(xiàn)不同層次多參數(shù)測量的集成化在體光學(xué)成像系統(tǒng)；以及無須外源性標(biāo)記的各類在體功能成像方法等。3)數(shù)據(jù)處理、圖像重建與可視化方法研究。在光學(xué)成像檢測的基礎(chǔ)上，還需要開展數(shù)據(jù)處理、圖像重建與可視化方法研究。主要是根據(jù)光子傳輸規(guī)律和光學(xué)檢測模式，對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和可視化研究。3.醫(yī)學(xué)光學(xué)成像技術(shù)1896年，倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，意味著醫(yī)學(xué)影像的開始。X射線成像有非常好分辨率，而且穿透能力很強(qiáng)，但其弊病是有致癌作用，而且軟組織間的對比度很小，因而不能實現(xiàn)功能成像。在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，為什么要用光

12、學(xué)成像呢？光學(xué)成像采用非致電離輻射，其光子能量約2eV ,因而沒有致癌作用；光學(xué)成像可以在腫瘤和良性/正常疾患之間獲得高的軟組織對比度；光學(xué)成像可實現(xiàn)功能檢測。從物理角度，光譜與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，所以一旦人體組織發(fā)生分子水平的改變，就應(yīng)該能觀察到光學(xué)性質(zhì)的改變；從生理角度，光學(xué)吸收與血管生成、細(xì)胞凋亡、壞死，過度代謝等有關(guān)；光學(xué)散射主要與細(xì)胞核大小有關(guān)：光學(xué)偏振與膠原蛋白有關(guān)。因此，光學(xué)技術(shù)可以量化一系列的生理參數(shù)，包括：血氧飽和度，總的血紅蛋白含量，血流(Doppler)，膠原蛋白的方向性，膠原蛋白的濃度與變性等。醫(yī)學(xué)光學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展與光子技術(shù)的進(jìn)步密切相關(guān)。隨著理論研究的不斷深入和光子技術(shù)的

13、不斷發(fā)展，多種形式的光學(xué)成像技術(shù)正受到生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重視。醫(yī)學(xué)光學(xué)成像技術(shù)從理論上可分為擴(kuò)散光學(xué)成像與相干域光學(xué)成像，前者成像深度較深，理論基礎(chǔ)是光子輸運(yùn)方程的擴(kuò)散近似，被檢測的光學(xué)信號會在組織體內(nèi)經(jīng)歷多次散射，如何建立散射信息與組織光學(xué)特性參數(shù)變化間的關(guān)系和提取散射信息是其關(guān)鍵；后者成像深度主要在組織淺層，散射影響較小，如何避免散射和在強(qiáng)散射背景中提取有用的結(jié)構(gòu)與功能信息是其關(guān)鍵。這兩類技術(shù)分別涉及：1)基于連續(xù)光、超快脈沖光、高頻調(diào)制的連續(xù)光以及超聲調(diào)制的光學(xué)層析成像技術(shù);2)光學(xué)弱相干層析成像和激光散斑成像。在生物醫(yī)學(xué)光學(xué)成像中，還常用到熒光顯微成像和直接反射式的光學(xué)成像等。從應(yīng)用角度

14、，可分組織光學(xué)功能成像和認(rèn)知光學(xué)成像，前者泛指對組織功能狀態(tài)的成像，后者則特指不同層次的腦活動與功能成像。光學(xué)功能成像系指利用光學(xué)成像技術(shù)，如光學(xué)弱相干層析成像、激光散斑成像、擴(kuò)散光學(xué)成像等，實現(xiàn)細(xì)胞或組織功能參數(shù)，如血氧含量、血容量、鈣離子濃度等生理生化參數(shù)變化的成像監(jiān)測或檢測。針對不同的應(yīng)用，通常又稱為組織光學(xué)功能成像和認(rèn)知光學(xué)成像。后者特指以探索神經(jīng)信息處理機(jī)制為目標(biāo)，在系統(tǒng)與行為、特定腦皮層區(qū)域和分子與細(xì)胞水平等不同層次的光學(xué)成像。從技術(shù)角度，除上面介紹的光學(xué)成像技術(shù)可實現(xiàn)系統(tǒng)與行為層次以及特定腦皮層區(qū)域?qū)哟蔚墓δ艹上裢?，在分子和?xì)胞水平還要涉及到內(nèi)源/外源信號高分辨光學(xué)成像和顯微光學(xué)

15、成像等技術(shù)。光學(xué)功能成像的基礎(chǔ)在于，光在組織或細(xì)胞中歷經(jīng)一系列吸收、散射后，由于生物體內(nèi)的吸收因子和散射因子會對光子的傳輸產(chǎn)生調(diào)制，因而出射光中攜帶著與吸收和散射相關(guān)的組織生化信息。其中吸收主要源于組織體內(nèi)的生色團(tuán)，散射則主要與細(xì)胞核有關(guān)。生色團(tuán)又可分為內(nèi)源性生色團(tuán)和外源性生色團(tuán)。例如，利用近紅外光譜技術(shù)(NIRS，Near-Infrared Spectroscopy)實現(xiàn)生物光學(xué)功能成像的的基本原理如下。根據(jù)修正的Beer-Lambert定律，對于前后兩個不同的生理狀態(tài)，采用760nm和850nm兩個波長可以測出和的濃度變化為： (1) (2)式中，是光源和測量點之間的距離，被稱為光密度，是

16、不同波長時和的光吸收系數(shù)，單位通常為 NIRS具有較高的時間分辨率，可對組織血流動力學(xué)參數(shù)的快速動態(tài)變化進(jìn)行觀測。透射式的脈搏血氧計己成功地用于動脈血氧飽和度的檢測，但只局限在指尖和耳垂等有限部位進(jìn)行測量。研制反射式NIRS來無損檢測人體其它局部組織和器官中供血供氧狀態(tài)變化及其空間分布已成為國內(nèi)外研究的熱點。 隨著對組織光學(xué)特性參數(shù)的深入研究和相應(yīng)圖像重建算法的完善，通常使用陣列式的光源和探測器進(jìn)行多通道檢測，實現(xiàn)近紅外光學(xué)成像。目前，這一成像技術(shù)現(xiàn)主要應(yīng)用到嬰兒大腦功能和乳腺癌早期診斷。功能型近紅外光學(xué)成像技術(shù)(FNIRI)以組織中的血容和血氧為信息載體，通過測量大腦皮層中血容、血氧的分布和變化情況來了解大腦的活動FNIRI在價格、便攜性、易于使用以及對被試兒乎無干擾等方面有一定優(yōu)勢，因此正成為腦功能和神經(jīng)活動過程研究的重要手段之一。4.結(jié)論生命科學(xué)的發(fā)展越來越依賴于技術(shù)的進(jìn)步，特別是信息技術(shù)的進(jìn)步。光電技術(shù)已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到重要應(yīng)用，并對生命科學(xué)的發(fā)