小动物活体光学三维成像系统通过整合生物发光、荧光、光声等多模态光学技术，实现对活体动物体内细胞、分子及组织的无创三维动态观测。以下从技术原理、核心设备、应用场景及最新进展展开分析：

一、技术原理与核心设备

1. 生物发光与荧光成像技术

生物发光（BLI）：通过荧光素酶基因标记细胞或 DNA，利用底物反应产生光信号。典型设备如珀金埃尔默 IVIS®SpectrumTM，其三维断层成像（DLIT）技术可精确定位信号源深度，误差 < 0.5mm。该系统支持 5 只小鼠同时成像，生物发光检测灵敏度达个位数细胞水平，适用于肿瘤早期转移监测。

荧光成像（FLI）：采用荧光探针（如 Cy5、Cy7）或荧光蛋白（如 GFP）标记目标分子。Vilber NEWTON FT-900 通过全光谱覆盖（400-1700nm）和光谱分离技术，可同时解析 3 种以上荧光探针信号，避免光谱串扰。其近红外 II 区（NIR-II）成像穿透深度达 10 倍于可见光，适合深部肿瘤血管成像。

2. 光声成像技术

原理：激光激发组织产生热弹性膨胀，通过超声探测器捕捉光声信号，重构三维吸收体分布。LOIS-3D 系统结合近红外一区 / 二区激光（660-2300nm），可实现 4.5cm 深度的小鼠全身成像，分辨率达 45μm。

优势：

功能与结构整合：同时获取血管形态（结构）和血氧饱和度（功能），例如在肿瘤模型中可量化缺氧区域（血氧饱和度 < 30%）与肿瘤侵袭方向的关联。

无标记成像：利用血红蛋白等内源性吸收体，避免外源性探针的毒性干扰，适合长期动态研究（如炎症修复过程）。

3. 多模态融合技术

光声 - 超声联合：Vevo®LAZR-X 系统将 70MHz 超高频超声与光声结合，实现血管结构（超声 B 模）与功能（光声血氧）的实时共定位，可追踪动脉粥样硬化斑块的微结构变化。

光学 - CT/MRI 融合：Milabs U-CT/OI 系统集成 microCT 与光学成像，通过 CT 提供解剖结构，光学信号定位分子活动，例如在骨转移研究中同步观察肿瘤细胞浸润与骨小梁破坏。

二、关键技术参数与优化策略

1. 成像性能指标

分辨率与深度：

高分辨率：清华大学 RUSH3D 系统采用扫描光场技术，实现厘米级视场（20×20cm）与亚细胞分辨率（0.5μm）的结合，可追踪单个神经元在全脑皮层的活动。

深穿透：光声成像在近红外 II 区（1064nm）的穿透深度达 2cm，适合深部器官如肝脏、肾脏的三维成像。

灵敏度与定量：

绝对定量：NEWTON FT-900 通过 NIST 校准，可输出光信号绝对强度（ph/s/cm²/sr），支持跨实验数据比对。

动态范围：IVIS®SpectrumTM 的荧光成像动态范围达 6 个数量级，可同时检测微量细胞信号与强背景组织荧光。

2. 实验设计优化

麻醉与温控：

采用 EQUAFLOW 呼吸装置确保麻醉气体均匀分配，避免动物体动伪影。

温控载物台（20-40℃）维持生理状态，例如在肿瘤代谢研究中需将温度稳定在 37±0.5℃以保证数据重复性。

三维重建算法：

DLIT 技术：通过多角度投影数据（通常 18-36 个角度）重构信号源三维分布，IVIS®SpectrumTM 的三维成像误差 < 10%。

光声断层扫描：LOIS-3D 的滤波反投影算法可在 5 分钟内完成小鼠脑部三维重建，支持实时预览与交互式参数调整。

三、应用场景与典型案例

1. 肿瘤研究

早期检测与转移追踪：

利用荧光探针标记肿瘤细胞，IVIS®SpectrumTM 可在接种后 72 小时检测到直径 < 0.2mm 的皮下肿瘤，并通过三维成像量化其体积增长速率（每周增加 30-50%）。

光声成像可识别肿瘤新生血管的异常分支结构（如血管直径 > 50μm），预测抗血管生成药物疗效（如贝伐珠单抗治疗后血管密度下降 30%）。

药物代谢与耐药机制：

动态监测荧光标记药物在肿瘤内的分布，例如阿霉素在肿瘤球体中的渗透深度 < 100μm，提示需结合纳米载体增强递送效率。

生物发光三维成像可揭示奥希替尼耐药肿瘤的异质性，信号源分布从单中心向多中心转变提示克隆进化。

2. 神经科学

全脑神经元活动图谱：

清华大学 RUSH3D 系统通过扫描光场技术，实现清醒小鼠背侧皮层 17 个脑区的十万级神经元三维动态记录，可捕捉感觉刺激引发的跨脑区信号传导（如视觉皮层→运动皮层的延迟 < 50ms）。

结合钙成像探针（如 GCaMP6s），该系统可解析神经元集群活动模式，例如在自发运动发起时观察到皮层尾侧向鼻侧的波浪式放电。

神经退行性疾病研究：

光声成像检测阿尔茨海默病模型小鼠脑内 β- 淀粉样蛋白沉积，其光声信号强度与病理评分呈正相关（R²=0.89）。

3. 免疫治疗与干细胞研究

CAR-T 细胞疗效评估：

在 Kilby Gravite 系统中，将荧光标记的 CAR-T 细胞与肿瘤球共培养，通过三维成像观察细胞浸润效率。实验显示，微重力（10⁻³G）可增强 CAR-T 细胞对肿瘤球体的穿透能力，72 小时后坏死面积扩大至 65%。

干细胞归巢追踪：

采用近红外荧光探针标记间充质干细胞（MSCs），IVIS®SpectrumTM 可在肺纤维化模型中定位干细胞在受损肺泡的富集区域（信号强度 > 背景 3 倍），验证其靶向治疗潜力。

四、最新进展与行业动态

1. 技术创新

计算光学突破：

清华大学 RUSH3D 系统结合数字自适应光学与深度学习去噪，将光毒性降低 100 倍，实现连续 24 小时的神经元活动记录。其介观尺度成像（厘米级视场 + 亚细胞分辨率）填补了传统显微镜与功能核磁的技术空白。

光声成像引入 AI 算法，如 LOIS-3D 的自动肿瘤识别模型，可在 30 秒内完成三维数据的体积、边界及代谢参数分析，准确率 > 95%。

多模态深度融合：

Vevo®LAZR-X 系统整合超高频超声（70MHz）与光声，可同步获取肿瘤血管的结构（超声 B 模）与功能（光声血氧），为抗血管生成药物研发提供双重评估指标。

珀金埃尔默 IVIS®SpectrumTM 与 microCT 联用，可在同一设备上完成光学信号定位与骨组织形态分析，适用于骨转移研究。

2. 国产化突破

北京科誉兴业 TDCCS-3D：支持微重力（10⁻³G）、月球重力（0.17G）等多模式切换，结合器官芯片可模拟太空环境下的肿瘤代谢重编程，例如在微重力条件下乳酸堆积速率提升 40%。

荷湖科技 RUSH3D：通过扫描光场技术实现大视场（20×20cm）与高分辨率（0.5μm）的平衡，已应用于斑马鱼胚胎发育与小鼠脑创伤修复研究，数据通量较传统显微镜提升 10 倍。

五、设备选择与实验设计建议

1. 根据研究目标选择技术路径

分子机制研究：优先选择生物发光成像（如 IVIS®SpectrumTM），重点关注信号源深度定位与定量精度。

功能代谢分析：光声成像（如 LOIS-3D）可同步获取结构与功能信息，适合肿瘤缺氧微环境研究。

高通量筛选：Vilber NEWTON FT-900 的多光谱分离与一键成像功能，可在 2 小时内完成 12 组药物浓度梯度实验。

2. 参数优化策略

荧光探针选择：

近红外探针（如 Cy7）适用于深部成像，其背景自发荧光较可见光降低 80%。

多探针实验需验证光谱重叠度，例如 Cy5（发射峰 670nm）与 Cy7（发射峰 780nm）的光谱分离度需 > 90%。

成像参数设置：

生物发光曝光时间建议 5-30 秒，避免过曝导致信号饱和；荧光成像需根据探针亮度调整激发光强度（通常 5-20% 功率）。

光声成像激光能量密度需控制在 ANSI 安全阈值以下（<20mJ/cm²），避免组织热损伤。

3. 数据整合与验证

多模态数据融合：

光学信号需与 CT/MRI 结构数据配准，例如在肿瘤研究中通过 CT 定位光学信号对应的解剖位置（如肝脏左叶肿瘤）。

代谢组学与成像数据关联，例如通过 LC-MS 检测肿瘤球乳酸含量，验证光声成像的血氧饱和度分析结果。

临床样本验证：

将动物模型的成像结果与临床活检样本进行免疫组化对比，例如荧光信号强度与 Ki-67 阳性率的相关性需 > 0.7。

六、挑战与解决方案

1.光毒性与长期观测：

低光毒性设计：RUSH3D 采用扫描光场技术，将激光照射时间缩短至传统显微镜的 1/100，实现连续 48 小时的斑马鱼胚胎发育观测。

动态光调控：IVIS®SpectrumTM 的自动对焦与曝光优化算法，可在保证信噪比的前提下降低 30% 光剂量。

2.信号干扰与背景抑制：

光谱分离算法：NEWTON FT-900 的 Kuant 2.5 软件通过染料光谱库匹配，可扣除 95% 以上的自发荧光背景。

光声背景滤波：LOIS-3D 的小波变换算法可去除超声噪声，将光声信号信噪比提升至 20dB 以上。

3.设备成本与可及性：

国产化替代：北京科誉兴业 TDCCS-3D 价格仅为进口设备的 60%，且支持定制化重力模式切换，适合预算有限的实验室。

开放共享平台：利用国家重大科研基础设施（如中国科学院微重力实验平台），可将单次实验成本降低至传统方法的 1/3。

七、未来发展方向

1.智能化与自动化：

AI 辅助分析：开发深度学习模型自动识别肿瘤边界、血管分支等结构，例如 LOIS-3D 的 AI 算法可在 1 分钟内完成三维数据的体积、密度量化。

全流程自动化：结合机械臂与智能算法，实现从动物麻醉、成像到数据分析的无人化操作，例如 IVIS®SpectrumTM 的方法驱动程序可预设 10 组实验参数。

2.多尺度成像整合：

介观 - 微观桥接：RUSH3D 与共聚焦显微镜联用，可在同一动物模型中解析肿瘤微环境的单细胞异质性（微观）与血管网络分布（介观）。

活体 - 类器官关联：将微重力培养的肿瘤类器官移植至动物体内，结合光学成像验证其体内生长特性，例如类器官成瘤率与荧光信号强度的相关性需 > 0.8。

3.临床前转化应用：

个性化治疗模型：利用患者源性肿瘤类器官（PDO）构建小鼠移植模型，通过光学成像筛选最佳药物组合，例如三阴性乳腺癌 PDO 模型对紫杉醇的敏感性预测准确率达 82%。

实时术中导航：开发便携式光声成像设备（如 Vevo®LAZR-X），可在手术中实时定位肿瘤边界，指导切除范围，减少术后复发率。

八、设备推荐与供应商对比

应用场景 推荐设备 核心优势 供应商 / 品牌

分子机制研究 IVIS®SpectrumTM 生物发光三维成像精度高（误差 < 0.5mm），支持多组学数据关联 珀金埃尔默

深部肿瘤成像 LOIS-3D 近红外二区穿透深度 4.5cm，无标记血氧饱和度分析 中国科学院高能所

高通量药物筛选 NEWTON FT-900 全光谱覆盖与光谱分离技术，支持 12 组同时成像 Vilber

神经科学研究 RUSH3D 厘米级视场 + 亚细胞分辨率，支持清醒小鼠全脑神经元活动记录 清华大学 / 荷湖科技

多模态融合 Vevo®LAZR-X 光声 - 超声实时共定位，适合血管功能与结构联合分析 FUJIFILM VisualSonics

小动物活体光学三维成像系统通过技术创新与多学科交叉，正从实验室研究走向临床前转化。其核心价值在于通过无创、动态、三维的观测手段，为肿瘤、神经、免疫等领域提供更接近生理真实的研究模型。选择设备时需综合考虑成像深度、分辨率、多模态兼容性及数据分析能力，以最大化实验效率与数据可靠性。