引論：我們?yōu)槟砹?篇生物醫(yī)學(xué)技術(shù)分析范文，供您借鑒以豐富您的創(chuàng)作。它們是您寫(xiě)作時(shí)的寶貴資源，期望它們能夠激發(fā)您的創(chuàng)作靈感，讓您的文章更具深度。

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(zhuān)業(yè)課程設(shè)置及教學(xué)現(xiàn)狀

我校自2003年開(kāi)辦生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)以來(lái),根據(jù)醫(yī)科院校特點(diǎn),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(jì)算機(jī)技術(shù)的研發(fā)、操作和管理工作,并且能夠開(kāi)展生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科研究的人才[1]。該專(zhuān)業(yè)主要學(xué)習(xí)生命科學(xué)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及信息圖像傳輸、處理等有關(guān)的基礎(chǔ)理論知識(shí)以及醫(yī)學(xué)與工程技術(shù)相結(jié)合的科學(xué)知識(shí),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(jī)原理”“生物醫(yī)學(xué)傳感器”“醫(yī)療儀器原理”“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”“生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與處理”“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”等。另外憑借醫(yī)學(xué)院校的優(yōu)勢(shì)還開(kāi)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(dá)到教學(xué)效果,所開(kāi)設(shè)的這些課程基本上都需要做實(shí)驗(yàn)演示,以增強(qiáng)形象性效果和形象性驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在大學(xué)教育中是必要手段。幾乎每門(mén)課的實(shí)驗(yàn)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(hào)發(fā)生器等。在傳統(tǒng)教學(xué)中基本上都是使用相對(duì)獨(dú)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(duì)于需要電子計(jì)算機(jī)之類(lèi)的課程而言,一般都得配備幾十套教學(xué)儀器來(lái)供教學(xué)使用,這些儀器設(shè)備還需要不斷更新維護(hù),教學(xué)成本比較高。另外,在醫(yī)學(xué)院校對(duì)于和醫(yī)學(xué)相關(guān)的專(zhuān)業(yè)課程很多實(shí)驗(yàn)實(shí)際操作比較困難,效果不理想。中國(guó)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(jià)格昂貴,操作使用復(fù)雜,臨床使用要求高,一般院校很難滿(mǎn)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(wèn)題,比如醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)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(dòng),即使有個(gè)別實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?其教學(xué)效果也不理想。在當(dāng)前學(xué)校經(jīng)費(fèi)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(cái)力難以支付。這樣容易造成實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想,對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)創(chuàng)新及實(shí)踐能力都有一定影響。隨著現(xiàn)代測(cè)試功能和計(jì)算機(jī)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(bǔ)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(jiǎn)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(jì)算機(jī)為主的硬件基礎(chǔ)上,由用戶(hù)自己設(shè)計(jì)定義虛擬的操作面板,測(cè)試功能由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)[2]。其實(shí)質(zhì)是以計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)。通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件融合,通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器中的由硬件電路完成的功能,利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來(lái)模擬傳統(tǒng)儀器的控制端,利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能來(lái)管理儀器系統(tǒng),完成對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)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(yùn)行提供信號(hào)I/O接口設(shè)備來(lái)完成不同要求的測(cè)試。虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器沒(méi)有的性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間短、開(kāi)發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn),具有很強(qiáng)的靈活開(kāi)放性。不同領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師都借助虛擬儀器來(lái)解決工作與課題中的實(shí)際問(wèn)題。所以,虛擬儀器自誕生以來(lái)就在測(cè)量、航空航天、自動(dòng)化、遠(yuǎn)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(guó)NI(NationalInstrument)公司推出的一種基于圖形化編程的軟件開(kāi)發(fā)工具,將功能強(qiáng)大的圖形化設(shè)計(jì)平臺(tái)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(shí)際有效結(jié)合,幫助學(xué)生完成從理論到實(shí)踐的學(xué)習(xí)。LabVIEW軟件平臺(tái)結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡等相關(guān)硬件可以開(kāi)發(fā)出示波器、信號(hào)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(hù)麻煩等缺點(diǎn)[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(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課。該課程涉及了醫(yī)學(xué)和電子學(xué)、計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理、傳感器技術(shù)等方面的知識(shí),是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的科目。作為生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生,要掌握常見(jiàn)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(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)高水平的醫(yī)療電子儀器的素質(zhì)[5]。因此做好實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平和綜合能力的關(guān)鍵。醫(yī)學(xué)儀器原理實(shí)驗(yàn)主要將人體生理信號(hào)的檢測(cè)及處理分析作為教學(xué)內(nèi)容,包括了人體血壓信號(hào)、心電、體溫、呼吸、脈搏等生理參數(shù)的測(cè)量。生物醫(yī)學(xué)信號(hào)由傳感器轉(zhuǎn)變成電信號(hào),因?yàn)槿梭w生理信號(hào)比較微弱要先經(jīng)過(guò)信號(hào)的放大、濾波等預(yù)處理,再進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡。信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集到計(jì)算機(jī)上以后,利用LabVIEW的圖像化語(yǔ)言進(jìn)行編程,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的各種分析,包括數(shù)值分析、頻譜分析等,再通過(guò)儀器軟面板把結(jié)果顯示在電腦上。我們以人體呼吸測(cè)量為例,這種設(shè)備一般只在醫(yī)院常見(jiàn),用于教學(xué)中的儀器基本上沒(méi)有。因此講過(guò)理論原理后,學(xué)生不能夠真正透徹的明白,無(wú)法滿(mǎn)足教學(xué)上的需要。我們利用少量硬件設(shè)計(jì)結(jié)合LabVIEW軟件編程構(gòu)建了一個(gè)人體呼吸測(cè)量系統(tǒng),采用阻抗式呼吸測(cè)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(xì)說(shuō)明了。圖1為基于LabVIEW平臺(tái)搭建的呼吸測(cè)量面板圖,針對(duì)學(xué)生教學(xué)取得了很好的效果,同學(xué)們一致反映對(duì)呼吸測(cè)量的原理有了更透徹的認(rèn)識(shí),并且能學(xué)習(xí)新的軟件技術(shù),擴(kuò)展知識(shí)面。在LabVIEW環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)只需要根據(jù)實(shí)際情況,比如是呼吸測(cè)量還是心電測(cè)量等,通過(guò)軟件編程及很少的硬件連接便可完成實(shí)驗(yàn)任務(wù),即節(jié)省了實(shí)驗(yàn)成本,又利于實(shí)驗(yàn)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(cè)試需要,在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建一個(gè)基于虛擬儀器技術(shù)的測(cè)試測(cè)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(hào)處理類(lèi)課程教學(xué)中應(yīng)用

生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)設(shè)置的信號(hào)處理類(lèi)課程主要有:“數(shù)字信號(hào)處理”“信號(hào)與系統(tǒng)”“生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)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(shí)候也只是講解推導(dǎo)公式或證明算法,學(xué)生沒(méi)有直觀印象,無(wú)法把函數(shù)公式與實(shí)際波形相聯(lián)系,理解起來(lái)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(hào)處理”課程為例作一簡(jiǎn)單介紹。“數(shù)字信號(hào)處理”是一門(mén)理論性很強(qiáng)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(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證那些理論。LabVIEW軟件平臺(tái)的特點(diǎn)之一就是具有豐富的運(yùn)算且靈活高效的信號(hào)處理功能,LabVIEW圖形化信號(hào)處理平臺(tái)由多個(gè)信號(hào)處理與數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)組成,包含小波變換、濾波器設(shè)計(jì)、時(shí)頻分析、圖像處理等工具包,將信號(hào)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(jiǎn)單的編程途徑,從函數(shù)庫(kù)調(diào)用這些現(xiàn)成的VI函數(shù)就可以迅速完成信號(hào)處理。學(xué)生能一目了然地看到程序的運(yùn)行情況,也可以比較不同的參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響。在數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)中濾波器是重點(diǎn)知識(shí),也是教學(xué)難點(diǎn)。在以往的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍對(duì)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(shí)怎樣設(shè)計(jì)出有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的數(shù)字濾波器也不清楚。在講授濾波器時(shí),在LabVIEW中信號(hào)處理函數(shù)面板中的濾波基本函數(shù)欄進(jìn)行選擇,在虛擬儀器前面板上放置多個(gè)圖形顯示控件,完成對(duì)濾波器的設(shè)計(jì),還可以同時(shí)顯示多個(gè)濾波器的濾波結(jié)果,這種學(xué)習(xí)方式簡(jiǎn)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(shí)。另外LabVIEW圖形化的編程語(yǔ)言有助于學(xué)生在比較短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出相對(duì)復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)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(qiáng)大的功能可以使其對(duì)學(xué)生開(kāi)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(huì)抽象的理論知識(shí),扎實(shí)掌握所學(xué)知識(shí),同時(shí)還可以提高他們的學(xué)習(xí)興趣,達(dá)到教學(xué)效果。

3小結(jié)

虛擬儀器的出現(xiàn)是測(cè)試領(lǐng)域的一次革命,是儀器領(lǐng)域一個(gè)新的風(fēng)向標(biāo),它使現(xiàn)代測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)功能越來(lái)越強(qiáng)大,且更加的靈活高效、經(jīng)濟(jì),高等教育領(lǐng)域也正在汲取著這種優(yōu)勢(shì),壯大著它的發(fā)展。實(shí)踐證明在生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)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(shí)展、科學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合,而且可以有效促進(jìn)師生的教學(xué)互動(dòng),給學(xué)生極大地參與感,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)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(zhuān)業(yè)的教學(xué)改革與研究任重而道遠(yuǎn),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(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)的發(fā)展極限問(wèn)題

想挑戰(zhàn)超人類(lèi)主義所提出的概念,此概念試圖補(bǔ)全那件仍只是半成品的人類(lèi)改造工程。作為回應(yīng),筆者簡(jiǎn)單概括了一下《赫西奧德和埃斯庫(kù)羅斯》中關(guān)于普羅米修斯神話(huà)的兩種解釋,它可以幫助我們正確地了解運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)的道德局限。以此總結(jié)為一條平淡無(wú)奇的提示:人類(lèi)是凡胎俗骨的,面對(duì)疾病和死亡的脆弱無(wú)助是遠(yuǎn)非人類(lèi)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(yùn)動(dòng)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(huì)實(shí)踐歸結(jié)為科學(xué)問(wèn)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(lái)舉個(gè)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(kāi)始懷念起那些被閑置的工具。“技術(shù)”一詞有一個(gè)古老的過(guò)去,它來(lái)源于兩個(gè)希臘字技藝和徽標(biāo)。技藝是指那種技巧——“實(shí)用知識(shí)”參與決策的事情,而通過(guò)標(biāo)識(shí)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(rèn)可的東西,它實(shí)際上是由亞里士多德創(chuàng)造出來(lái)的,“技術(shù)”的意義最初指修辭學(xué)的技術(shù)技能——標(biāo)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(jiàn)。事實(shí)上,至少在英國(guó),體育科學(xué)家就經(jīng)常把他們的研究活動(dòng)和本來(lái)該稱(chēng)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(méi)應(yīng)用到在對(duì)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(gè)概念區(qū)分開(kāi)來(lái)是比較困難的。事實(shí)上,體育科學(xué)家經(jīng)常把他們的體育項(xiàng)目和確切的應(yīng)該稱(chēng)為“運(yùn)動(dòng)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(kāi)來(lái)了,盡管在體育運(yùn)動(dòng)的理論科學(xué)領(lǐng)域,這兩個(gè)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(jiǎn)單的獲得運(yùn)用,通過(guò)理論知識(shí)到實(shí)踐性知識(shí)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(shí)現(xiàn)的話(huà),那么他們的顯著特征就應(yīng)該是一個(gè)“目的--結(jié)果”的結(jié)構(gòu)。科技就可以被認(rèn)為是利用目的去得到一個(gè)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(wèn)題是體育科學(xué)研究的一個(gè)范疇,運(yùn)用邏輯思辨、哲學(xué)方法論等體育學(xué)研究方法,對(duì)生物醫(yī)學(xué)技術(shù)與體育科學(xué)的發(fā)展關(guān)系問(wèn)題進(jìn)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(duì)21世紀(jì)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(jìn)行物質(zhì)的組裝、分析與檢測(cè)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(cè)是否患有癌癥只用幾個(gè)細(xì)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(jì)80年代才開(kāi)始研究的納米技術(shù)在90年代獲得了突破性進(jìn)展。最近美國(guó)《商業(yè)周刊》列出了21世紀(jì)可能取得重大突破的三個(gè)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(duì)物質(zhì)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行制造的技術(shù)，其實(shí)就是一種用單個(gè)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(jì)將推動(dòng)信息技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、自動(dòng)化技術(shù)及能源科學(xué)的發(fā)展，將極大的影響人類(lèi)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(jì)的生物醫(yī)學(xué)可能帶來(lái)影響作一概述。

1 納米生物學(xué)的研究對(duì)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(xì)胞具有微米(10-6m)量級(jí)的空間尺度，生物大分子具有納米量級(jí)的空間尺度。在它們之間的層次是亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，具有幾十到幾百納米量級(jí)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(duì)象就是亞細(xì)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(xì)胞、紅細(xì)胞小得多，這就為生物學(xué)研究提供了一個(gè)新的研究途徑即利用納米微粒進(jìn)行細(xì)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(jìn)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(cè)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(xì)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(jiǎn)稱(chēng))和 原子力顯微鏡(AFM,它是Atomic Force Microscope的簡(jiǎn)稱(chēng))。STM的原理是利用電子隧道效應(yīng)測(cè)量探針和樣品間微小的距離，又將探針沿樣品表面逐點(diǎn)掃描，從而得到樣品表面各點(diǎn)高低起伏的形貌。當(dāng)探針和樣品表面間的距離非常近達(dá)到一個(gè)納米時(shí)，同時(shí)在它們之間施加適當(dāng)電壓，在它們之間會(huì)形成隧道電流，這就是電子隧道效應(yīng)。這時(shí)探針尖端便吸引材料的一個(gè)原子過(guò)來(lái)，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(jìn)行，便按設(shè)計(jì)要求“堆砌”出各種微型構(gòu)件。

Hafner(1999)等［4］報(bào)道了碳納米管的制備方法，整個(gè)過(guò)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(guò)隧道電流的測(cè)量可以確定這距離的值。STM觀測(cè)的樣品要有導(dǎo)電性，用AFM就沒(méi)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(diǎn)掃描，針尖隨著樣品表面的高低起伏作上下運(yùn)動(dòng)。用光學(xué)方法測(cè)量針尖這種上下運(yùn)動(dòng)，就可以得到樣品表面高低起伏的圖像。用AFM還可以測(cè)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(gè)生物大分子的運(yùn)動(dòng)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(dá)到0.1 nm。已知樣品中原子間距離的量級(jí)是0.1 nm ，所以STM和AFM的空間分辨率達(dá)到了分辨單個(gè)原子的水平。它的時(shí)間分辨率取決于要掃描的樣品范圍和像素點(diǎn)數(shù)目，用它們測(cè)量固定觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，時(shí)間分辨率達(dá)到ns甚至ps，掃描一幅面積是10 nm×10 nm的樣品時(shí)，中等象素密度的時(shí)間分辨率約是1秒［5］。顯而易見(jiàn)，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(guó)學(xué)者報(bào)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(qiáng)度，并進(jìn)行了納米磁性顆粒在分子生物學(xué)中的應(yīng)用研究。試驗(yàn)了具有一定比表面的葡聚糖和二氧化硅增強(qiáng)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(dòng)提純、蛋白質(zhì)檢測(cè)、分離和提純、生物物料中逆轉(zhuǎn)錄病毒檢測(cè)、內(nèi)毒素清除和磁性細(xì)胞分離等。例如在DNA自動(dòng)提純中，用濃度為25 mg/mL的葡聚糖 nanomag R和SiO2增強(qiáng)的納米粒子懸濁液，達(dá)到了≥300 ng/ μL的DNA型1～2 KD的非專(zhuān)門(mén)DNA鍵合能力。SiO2增強(qiáng)的葡聚糖納米粒子的應(yīng)用使背景信號(hào)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(chǎng)2125×103/π(A/m)作用下，通過(guò)納米磁性粒子的磁性導(dǎo)向性，使其向病變部位移動(dòng)，從而達(dá)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(jí)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(xì)胞的藥物載體

脂質(zhì)體（Liposome)是一種定時(shí)定向藥物載體，屬于靶向給藥系統(tǒng)的一種新劑型。20世紀(jì)60年代，英國(guó)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(lèi)化合物懸浮在水中形成的具有類(lèi)似生物膜結(jié)構(gòu)和通透性的雙分子囊泡稱(chēng)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(diǎn)：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(duì)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(gè)脂質(zhì)體中可以同時(shí)包載親水和疏水性藥物；③磷脂本身是細(xì)胞膜成分，因此納米脂質(zhì)體注入體內(nèi)無(wú)毒，生物利用度高，不引起免疫反應(yīng)；④保護(hù)所載藥物，防止體液對(duì)藥物的稀釋?zhuān)氨惑w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(duì)脂質(zhì)體表面進(jìn)行修飾，譬如將對(duì)特定細(xì)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(dá)到尋靶目的。以肝臟為例，納米粒子—藥物復(fù)合物可通過(guò)被動(dòng)和主動(dòng)兩種方式達(dá)到靶向作用：當(dāng)該復(fù)合物被Kupffer細(xì)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(duì)其它臟器的副作用減少，此為被動(dòng)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(guò)Kupffer細(xì)胞的吞噬，靠其連接的單克隆抗體等物質(zhì)定位于肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞發(fā)揮作用，此為主動(dòng)靶向作用。用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織。

納米粒作為輸送多肽與蛋白質(zhì)類(lèi)藥物的載體是令人鼓舞的，這不僅是因?yàn)榧{米粒可改進(jìn)多肽類(lèi)藥物的藥代動(dòng)力學(xué)參數(shù)，而且在一定程度上可以有效地促進(jìn)肽類(lèi)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(lèi)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(jì)的納米技術(shù)，主要應(yīng)用于分子的組裝。DNA復(fù)制過(guò)程中所體現(xiàn)的堿基的單純性、互補(bǔ)法則的恒定性和專(zhuān)一性、遺傳信息的多樣性以及構(gòu)象上的特殊性和拓?fù)浒邢蛐裕际羌{米技術(shù)所需要的設(shè)計(jì)原理［9］。現(xiàn)在利用生物大分子已經(jīng)可以實(shí)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(bǔ)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(dòng)連接在一起［10］。利用DNA雙鏈的互補(bǔ)特性，可以實(shí)現(xiàn)納米顆粒的自組裝。利用生物大分子進(jìn)行自組裝，有一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：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(guó)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(kuò)增技術(shù)具有更大的優(yōu)越性；其引物無(wú)須保存于原封不動(dòng)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(cuò)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(kāi)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(jìn)步，質(zhì)粒DNA插入目的細(xì)胞后，可修復(fù)遺傳錯(cuò)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(guò)主動(dòng)靶向作用定位于細(xì)胞；將質(zhì)粒DNA濃縮至50～200 nm大小且?guī)县?fù)電荷，有助于其對(duì)細(xì)胞核的有效入侵；而質(zhì)粒DNA插入細(xì)胞核DNA的位點(diǎn)則取決于納米粒子的大小和結(jié)構(gòu)。此時(shí)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(jìn)一步研究［12］。

2.5 納米細(xì)胞分離技術(shù)

20世紀(jì)80年代初，人們開(kāi)始利用納米微粒進(jìn)行細(xì)胞分離，建立了用納米SiO2微粒實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分離的新技術(shù)。其基本原理和過(guò)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(xì)胞種類(lèi)而定，一般選擇與所要分離細(xì)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(xì)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(xì)胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液中，再通過(guò)離心技術(shù)，利用密度梯度原理，使所需要的細(xì)胞很快分離出來(lái)。此方法的優(yōu)點(diǎn)是：①易形成密度梯度；②易實(shí)現(xiàn)納米SiO2粒子與細(xì)胞的分離。這是因?yàn)榧{米SiO2微粒是屬于無(wú)機(jī)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(huì)沾污生物細(xì)胞，也容易把它們分開(kāi)。

3 發(fā)展趨勢(shì)

跨入21世紀(jì)后的未來(lái)二三十年，數(shù)學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等基礎(chǔ)研究的進(jìn)展將擴(kuò)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(shì)是：①生體相容性好的鈦合金等物質(zhì)將逐步開(kāi)發(fā)［13］，并進(jìn)入臨床試驗(yàn)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(jí)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(shí)現(xiàn)低成本、高效率、自動(dòng)化、大規(guī)模，而藥物的作用將實(shí)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(xì)胞器結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和自身裝配機(jī)制上取得進(jìn)展［15］；⑤納米生物技術(shù)將使生物活性分子診斷、檢測(cè)技術(shù)向微型、微觀、微量、微創(chuàng)或無(wú)創(chuàng)、快速、實(shí)時(shí)、遙距、動(dòng)態(tài)、功能性和智能化的方向發(fā)展。

有人預(yù)測(cè)，二三十年后，醫(yī)生使用納米技術(shù)只需檢測(cè)幾個(gè)細(xì)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(gè)星期左右，在血液中開(kāi)始出現(xiàn)非常少量的胎兒細(xì)胞，用納米微粒很容易將這些胎兒細(xì)胞分離出來(lái)進(jìn)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(cè)少量血液，就能通過(guò)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(ài)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(shí)驗(yàn)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(xì)胞和分子水平的諸多細(xì)微變化，有助于在生物整體、真實(shí)的體內(nèi)環(huán)境中高時(shí)間分辨率地研究生命過(guò)程。針對(duì)某一生物過(guò)程的帶有光學(xué)標(biāo)記的報(bào)告基因已被廣泛應(yīng)用于細(xì)胞生物學(xué)的研究，近年來(lái)正被更多地用于在活的動(dòng)物模型中探究人體內(nèi)生理機(jī)能和疾病的生物學(xué)過(guò)程。利用熒光蛋白、螢光素酶基因等生物材料標(biāo)記細(xì)胞、病原體和基因，早已被證實(shí)是一種在體內(nèi)設(shè)置“檢測(cè)器”、體外直觀檢測(cè)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(guò)生物技術(shù)將構(gòu)建的以螢光素酶基因作為標(biāo)記基因的載體（重組原核表達(dá)質(zhì)粒、重組真核表達(dá)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(xì)胞（如免疫細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞、胚胎干細(xì)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(dòng)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(dòng)物基因組制備轉(zhuǎn)基因動(dòng)物[2－4]。標(biāo)記基因的表達(dá)可通過(guò)多種調(diào)控元件進(jìn)行調(diào)控，如靶基因的啟動(dòng)子和增強(qiáng)子等；標(biāo)記的方法因研究領(lǐng)域、研究目的和實(shí)驗(yàn)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(guò)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(zhǎng)的光信號(hào)，通過(guò)成像系統(tǒng)可以直觀檢測(cè)到光信號(hào)的產(chǎn)生及變化，實(shí)時(shí)反映體內(nèi)發(fā)生的生物過(guò)程，如基因的調(diào)控表達(dá)、信號(hào)傳導(dǎo)、蛋白質(zhì)之間的相互作用、細(xì)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(xì)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(biāo)記于腫瘤細(xì)胞、免疫細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞等，轉(zhuǎn)入體內(nèi)后進(jìn)行成像

螢光素酶基因作為一種報(bào)告基因，最初應(yīng)用于體外培養(yǎng)細(xì)胞內(nèi)目的基因的表達(dá)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(xì)胞的表達(dá)研究[9]。螢光素酶是一類(lèi)生物發(fā)光酶，1種細(xì)胞可同時(shí)被2種具有不同底物的螢光素酶標(biāo)記。例如其一可由一組成性穩(wěn)定表達(dá)的啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)，作為內(nèi)參，反應(yīng)細(xì)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(dòng)子驅(qū)動(dòng)，其發(fā)光信號(hào)的變化，在消除細(xì)胞數(shù)量變化的影響后就可反映特定的啟動(dòng)子在動(dòng)物體內(nèi)的表達(dá)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(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)各種癌癥模型中腫瘤的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移，并可對(duì)癌癥治療中癌細(xì)胞的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)和評(píng)估，能夠無(wú)創(chuàng)傷地定量檢測(cè)小鼠整體的原位瘤、轉(zhuǎn)移瘤及自發(fā)瘤。Klerk等[12]研究證實(shí)了利用此技術(shù)測(cè)量腫瘤負(fù)荷具有很高的性。Minn等[13]應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)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(dá)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(xì)胞，先通過(guò)熒光激活細(xì)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(dá)外源蛋白即熒光蛋白和螢光素酶，且水平一致）的細(xì)胞，并尾靜脈注射免疫缺陷小鼠，通過(guò)檢測(cè)生物發(fā)光的部位和大小，評(píng)價(jià)不同亞群腫瘤細(xì)胞向肺部位的轉(zhuǎn)移情況及其轉(zhuǎn)移能力，再通過(guò)檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)各基因的表達(dá)差異來(lái)分析肺轉(zhuǎn)移相關(guān)基因。Gupta等[15－16]又用相似的方法來(lái)研究乳腺癌腦轉(zhuǎn)移相關(guān)基因及乳腺癌肺轉(zhuǎn)移過(guò)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(jī)理研究領(lǐng)域的優(yōu)越性。

2．1．2抗腫瘤免疫及腫瘤細(xì)胞疫苗的研究用帶有生物發(fā)光標(biāo)記基因的小鼠淋巴細(xì)胞或基因修飾的腫瘤細(xì)胞疫苗，可以檢測(cè)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(xì)胞機(jī)制。Cayeux等[17]用螢光素酶基因標(biāo)記基因修飾的腫瘤細(xì)胞疫苗來(lái)免疫小鼠，而用另一種底物不同于前者的5，6－carboxy－succinimidyl－fluorescein標(biāo)記該小鼠內(nèi)一種與腫瘤相關(guān)的免疫細(xì)胞，通過(guò)2種不同的標(biāo)記研究了基因修飾的腫瘤細(xì)胞疫苗免疫小鼠后抗原遞呈、免疫細(xì)胞之間的相互作用及不同免疫細(xì)胞在體內(nèi)免疫過(guò)程中的作用。

2．1．3藥物促腫瘤細(xì)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(dòng)物細(xì)胞中表達(dá)，產(chǎn)生的融合蛋白無(wú)螢光素酶活性，細(xì)胞不能發(fā)光，而當(dāng)細(xì)胞發(fā)生凋亡時(shí)，活化的caspase－3在特異識(shí)別位點(diǎn)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(dòng)物體內(nèi)的細(xì)胞凋亡相關(guān)事件。細(xì)胞凋亡時(shí)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(shí)別而產(chǎn)生生物發(fā)光信號(hào)。Liu、Hickson等[18－19]利用這一現(xiàn)象設(shè)計(jì)的細(xì)胞凋亡檢測(cè)方法均能夠以極低的DEVD－氨基螢光素量獲得較強(qiáng)的發(fā)光強(qiáng)度，因而這一方法可用于評(píng)價(jià)TNFα（α腫瘤壞死因子）、FasL、TRAIL（TNF相關(guān)促凋亡配體）等因素針對(duì)腫瘤的治療效果。

2．1．4胚胎干細(xì)胞及再生醫(yī)學(xué)的研究胚胎干細(xì)胞在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有應(yīng)用前景，然而注入活機(jī)體的胚胎干細(xì)胞及其分化細(xì)胞尚存在顯著的細(xì)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(duì)胚胎干細(xì)胞本身及其在注入機(jī)體后的存活、增殖、分化等生物事件的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行深入研究，從而使上述諸多問(wèn)題得以解決[20]。

2．2標(biāo)記病原微生物，用于研究感染致病機(jī)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(jìn)程中觀測(cè)病原體在動(dòng)物體內(nèi)的寄居部位、數(shù)量變化及對(duì)外界因素的反應(yīng)等實(shí)時(shí)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(jī)制[21]。對(duì)病原體感染過(guò)程非侵入性的檢測(cè)能夠?qū)膊∵M(jìn)程實(shí)時(shí)地提供新的信息，且有可能發(fā)現(xiàn)新的感染位點(diǎn)[22]。Lucker等[23－26］以螢光素酶基因標(biāo)記HSV－1（單純皰疹病毒）并分別侵染Ⅰ類(lèi)干擾素受體缺失、Ⅱ類(lèi)干擾素受體缺失、Ⅰ和Ⅱ類(lèi)干擾素受體均缺失的小鼠，可觀察到HSV－1對(duì)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(jìn)入神經(jīng)系統(tǒng)的過(guò)程，從而證實(shí)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(duì)痘苗病毒的類(lèi)似研究也證實(shí)，不同干擾素在機(jī)體感染過(guò)程中各自和協(xié)同發(fā)揮的重要作用。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

2．3標(biāo)記于基因治療載體用于探究基因治療機(jī)制和評(píng)價(jià)治療效果

將一個(gè)或多個(gè)目的基因安全有效地轉(zhuǎn)入體內(nèi)靶細(xì)胞可用于基因治療，應(yīng)用螢光素酶基因作為報(bào)告基因構(gòu)建載體，觀察目的基因是否能夠在試驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)持續(xù)高效和特異性表達(dá)。這種非侵入方式具有容易準(zhǔn)備、低毒性及輕微免疫反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。螢光素酶基因也可以插入脂質(zhì)體包裹的DNA分子中，用來(lái)觀察脂質(zhì)體為載體的DNA運(yùn)輸和基因治療情況。Smith等[28]已經(jīng)運(yùn)用該技術(shù)進(jìn)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(biāo)記的穩(wěn)定表達(dá)肝細(xì)胞癌抗原的質(zhì)粒轉(zhuǎn)入沙門(mén)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(mén)菌成功表達(dá)抗原和沙門(mén)菌作為活菌疫苗在體內(nèi)的清除過(guò)程。

2．4蛋白質(zhì)間相互作用、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等的研究

蛋白片段互補(bǔ)策略廣泛用于研究細(xì)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(yùn)用到活體動(dòng)物內(nèi)，以非侵入、可量化、實(shí)時(shí)地顯示蛋白質(zhì)之間的相互作用[31]。在動(dòng)物體內(nèi)直接觀察細(xì)胞中或活體動(dòng)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(kāi)，分別與2個(gè)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(dá)。在體的細(xì)胞內(nèi)若2個(gè)目的蛋白能靠近并結(jié)合形成完整的Fluc，則會(huì)產(chǎn)生發(fā)光信號(hào)。Andrea等[32]建立了一種轉(zhuǎn)基因報(bào)告小鼠，由特異啟動(dòng)子（TgG4F（＋／－））及其轉(zhuǎn)錄反式作用因子多聯(lián)體蛋白Gal4進(jìn)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(xì)胞，在小鼠肝臟部位觀察到了明顯的發(fā)光信號(hào)，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(dòng)子TgG4F（＋／－）結(jié)合，進(jìn)而引發(fā)Fluc在肝臟組織的表達(dá)。

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(dá)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(jìn)了體內(nèi)RNA干擾的研究和在體內(nèi)利用RNA干擾技術(shù)進(jìn)行其他疾病機(jī)理及生物治療的探索。McCaffrey[33]等通過(guò)將表達(dá)螢光素酶的真核表達(dá)載體與針對(duì)螢光素酶基因設(shè)計(jì)的雙鏈小干擾RNA（siRNA）共注射成年小鼠，與對(duì)照組比較，前者的熒光強(qiáng)度明顯減弱，表明針對(duì)性的雙鏈siRNA明顯起到抑制基因表達(dá)的作用。他們還構(gòu)建表達(dá)功能性小發(fā)夾RNA（shRNA）的真核表達(dá)載體，與表達(dá)螢光素酶的載體共注射成體小鼠，與對(duì)照組相比，同樣觀察到長(zhǎng)時(shí)程后熒光強(qiáng)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(píng)價(jià)雙鏈siRNA運(yùn)送方法的效果。Takeshita等[34－36]已利用該技術(shù)分別對(duì)各自所設(shè)計(jì)的不同的雙鏈siRNA運(yùn)送方法進(jìn)行了的評(píng)價(jià)，并發(fā)現(xiàn)合理的運(yùn)送方法，如雙鏈siRNA與某些小分子化合物的連接修飾與單獨(dú)的注射雙鏈siRNA相比，前者能使雙鏈siRNA在體內(nèi)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不被降解。RNA干擾可作為傳統(tǒng)DNA疫苗的補(bǔ)充，被用以在體內(nèi)消除免疫抑制因子表達(dá)。DNA疫苗的效應(yīng)常常因相關(guān)的信號(hào)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(hào)途徑的沉默將是DNA疫苗效能得到加強(qiáng)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(biāo)記于轉(zhuǎn)基因載體建立轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型

2．6．1基因表達(dá)動(dòng)物模型為研究目的基因是在何時(shí)、何種刺激下表達(dá)的，可將螢光素酶基因插入目的基因啟動(dòng)子的下游，并穩(wěn)定整合于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物染色體中，形成轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型。可用于研究動(dòng)物發(fā)育過(guò)程中特定基因的時(shí)空表達(dá)情況，觀察藥物誘導(dǎo)特定基因表達(dá)及其他生物事件引起的相應(yīng)基因表達(dá)或關(guān)閉。Chen等[37]將受胰島素調(diào)控啟動(dòng)子調(diào)控表達(dá)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(shí)了肝臟組織中含有可生成胰島素的細(xì)胞。研究結(jié)果也證實(shí)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(dá)水平及底物發(fā)光強(qiáng)度能夠真實(shí)反映目的基因的表達(dá)狀況。目前對(duì)于調(diào)控多藥耐藥性基因－1（mdr－1a）表達(dá)的關(guān)鍵因子和胞內(nèi)微環(huán)境的機(jī)制尚不明了，使多藥耐藥性依然成為對(duì)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(jī)制，Long等[38]通過(guò)胚胎干細(xì)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(kāi)放讀碼框中，其表達(dá)受內(nèi)源性mdr－1a啟動(dòng)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(yàn)證了該模型mdr－1a的表達(dá)量與Firefly螢光素酶蛋白表達(dá)、發(fā)光強(qiáng)度成正比。該小鼠體內(nèi)Fluc的表達(dá)與mdr－1a的表達(dá)在時(shí)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(dá)調(diào)控的理想的動(dòng)物模型。類(lèi)似的研究所建立的模型能彌補(bǔ)體外細(xì)胞培養(yǎng)不能提供的特定基因表達(dá)的真實(shí)微環(huán)境的缺點(diǎn)，也能彌補(bǔ)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(xì)菌進(jìn)行螢光素酶標(biāo)記，轉(zhuǎn)入動(dòng)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(shí)時(shí)表達(dá)和對(duì)候選藥物的反應(yīng)，還可以用來(lái)評(píng)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(jī)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(dòng)子調(diào)控表達(dá)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(cè)篩選得到的子代小鼠TRAMP－Luc隨前列腺特異性抗原的表達(dá)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(shì)

近年來(lái)針對(duì)生物發(fā)光成像過(guò)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(jìn)展。研究人員應(yīng)用遺傳學(xué)手段，在基因、蛋白水平對(duì)各種螢光素酶的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，獲得了新的螢光素酶，使底物發(fā)光的波長(zhǎng)發(fā)生明顯的紅移（使發(fā)光波長(zhǎng)變長(zhǎng)）從而減少了光穿透機(jī)體組織時(shí)的光吸收，提高了螢光素酶在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中表達(dá)的穩(wěn)定性，改變了酶在組織細(xì)胞中的半衰期。與原先的天然螢光素酶相比，通過(guò)改進(jìn)得到的各種螢光素酶在體內(nèi)表達(dá)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(shí)程的成像方式[42－46]。各種螢光素酶與體內(nèi)不同組織對(duì)應(yīng)著獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)特征。研究人員試圖通過(guò)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(duì)細(xì)胞內(nèi)底物攝入相關(guān)蛋白加以限制，以及對(duì)底物本身的結(jié)構(gòu)加以改造等手段，來(lái)滿(mǎn)足體內(nèi)不同時(shí)程生物過(guò)程的動(dòng)態(tài)性研究。Kheirolomoom等[47]分別用長(zhǎng)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(dá)時(shí)發(fā)光依賴(lài)于體內(nèi)螢光素的釋放。今后，通過(guò)選擇合適的包裹材料（如設(shè)計(jì)合理的脂質(zhì)體）或其他運(yùn)載方式（如植入性微滲透泵[48]），可能使底物在體內(nèi)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)恒定的釋放速率，使底物濃度保持穩(wěn)定。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

這樣，發(fā)光強(qiáng)度在一定時(shí)間內(nèi)取決于螢光素酶的表達(dá)水平。而溫度敏感型脂質(zhì)體可以被直接運(yùn)到腫瘤組織中，通過(guò)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(shí)現(xiàn)定點(diǎn)轉(zhuǎn)入和定點(diǎn)釋放底物。螢光素酶底物進(jìn)入細(xì)胞的過(guò)程受細(xì)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(yùn)蛋白，其表達(dá)水平和特異結(jié)構(gòu)域的功能影響螢光素的攝入過(guò)程，因而影響生物發(fā)光信號(hào)的產(chǎn)出。這就提示，一方面可通過(guò)降低或消除此類(lèi)蛋白對(duì)底物進(jìn)入靶細(xì)胞的影響，使發(fā)光信號(hào)相對(duì)地較大化，另一方面可被用于高效篩選針對(duì)ABCG2／BCRP的藥物抑制劑[50]。從某些細(xì)菌得到的螢光素酶基因均位于一個(gè)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(xì)菌侵染動(dòng)物模型后，無(wú)需外源底物就能實(shí)現(xiàn)成像[51]。若將這類(lèi)細(xì)菌來(lái)源的螢光素酶應(yīng)用于動(dòng)物細(xì)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(jiàn)相關(guān)報(bào)道。成像設(shè)備方面的進(jìn)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(hào)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(shí)，也具有自身的特點(diǎn)，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(qiáng)調(diào)在醫(yī)學(xué)圖像信息收集、處理等過(guò)程中應(yīng)用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)。

1.1圖像成像

從本質(zhì)上來(lái)看，生物醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)（下文簡(jiǎn)稱(chēng)“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(dá)為醫(yī)學(xué)影像。生物醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)的研究?jī)?nèi)容為：利用染色方法和光學(xué)原理，清晰地表達(dá)出機(jī)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(duì)象有：人體的標(biāo)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(xì)胞顯微鏡圖像、熒光顯微鏡圖像、組織細(xì)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(gè)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(jī)、采集卡、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等進(jìn)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(cè)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(jì)算機(jī)軟硬件對(duì)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行數(shù)字化處理后，進(jìn)行數(shù)字圖像采集、存儲(chǔ)、顯示、傳輸、加工等操作的技術(shù)。圖像處理是對(duì)獲取的醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行識(shí)別、分析、解釋、分割、分類(lèi)、顯示、三維重建等處理，以提取或增強(qiáng)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(lèi)較多，統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)、成像技術(shù)知識(shí)、解剖學(xué)知識(shí)、臨床知識(shí)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(cè)量和標(biāo)定醫(yī)學(xué)圖像中的感興趣目標(biāo)，以獲取感興趣目標(biāo)的客觀信息，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)描述。通過(guò)計(jì)算測(cè)定的圖像數(shù)據(jù)，可揭示機(jī)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(jìn)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(kāi)展醫(yī)學(xué)圖像信息的查詢(xún)與檢索。通過(guò)網(wǎng)上傳輸圖像，在異地間進(jìn)行圖像信息交流，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷。同時(shí)，在院內(nèi)通過(guò)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(shí)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(shí)信息含量也十分豐富，且易于存儲(chǔ)和觀察，所以其在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)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(gè)重要標(biāo)志，由此可見(jiàn)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(lè)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