小动物活体肿瘤及分子探针功能成像系统是生物医学研究中用于动态追踪肿瘤发展、评估药物疗效及解析分子机制的核心工具。这类系统通过整合高灵敏度成像技术与特异性分子探针，实现对活体动物体内肿瘤微环境、分子靶点及治疗响应的可视化与定量分析。以下是其核心技术、应用场景及最新进展的详细解析：
一、核心技术与系统架构
1. 多模态成像技术
生物发光与荧光成像：通过荧光素酶标记肿瘤细胞或荧光探针靶向特定分子（如血管生成因子），利用高灵敏度 CCD 相机捕捉信号，适用于肿瘤生长、转移及基因表达监测。例如，LumiFluor AVIS S 5 系统支持荧光素酶标记的肿瘤学基础研究，并可通过光谱拆分技术扣除自发荧光背景，实现多探针同时成像。
X-Ray 与 Micro-CT 成像：提供高分辨率解剖结构信息，用于骨肿瘤、骨折及肿瘤转移灶定位。Milabs U-CT/OI 系统结合 X 射线与光学成像，可实现清醒动物的三维结构 - 功能联合分析。
光声成像：通过激光激发组织产生声波信号，兼具光学对比度与超声穿透深度，适用于肿瘤血管形态及代谢活性成像。复旦大学团队研发的光声显微成像系统可同时获取血红蛋白浓度、血流速度等 10 余项生理指标，为早期肿瘤微环境研究提供新手段。
核素成像（PET/SPECT）：结合放射性示踪剂（如 18F-FDG、18F-PSMA）实现分子水平的代谢与受体成像。Bruker Albira Si 系统的 PET 分辨率达 0.7 mm，支持全身动态扫描，适用于肿瘤药物动力学研究。
2. 分子探针设计与功能
靶向探针：通过化学修饰或生物工程技术（如 CRISPR）设计探针，特异性结合肿瘤标志物。例如，华东理工大学开发的喹啉腈染料探针 QM-FN-DOTA，可同时实现近红外荧光、MRI 及 PET 成像，精准定位阿尔茨海默症模型中的 β- 淀粉样斑块，并具备血脑屏障穿透能力。
响应型探针：在肿瘤微环境（如酸性 pH、高活性氧）中激活，增强成像信噪比。南京大学团队设计的 NP-NH-D5 探针可级联响应肿瘤胞外 MMP-2 酶及胞内还原性分子，通过表面电荷翻转与结构转变实现高效肿瘤靶向，并诱导细胞焦亡以增强免疫治疗效果。
多模态探针：整合多种成像信号（如荧光 + MRI），实现多维度信息互补。例如，18F-FAPI 探针在肝内胆管癌成像中显示出比 18F-FDG 更高的摄取特异性，且不受血糖水平影响，适用于复杂代谢背景下的肿瘤检测。
二、关键应用场景
1. 肿瘤基础研究
肿瘤生长与转移机制：通过生物发光成像追踪荧光素酶标记的肿瘤细胞在活体中的定植与扩散。例如，NEWTON 7.0 系统的三维重构技术可还原肿瘤在乳腺组织中的空间分布，并结合拓扑扫描分析信号深度及器官定位。
肿瘤微环境解析：利用光声成像动态监测肿瘤血管生成、血氧饱和度及淋巴回流变化。复旦大学团队的多光谱光声显微成像系统可在亚微秒级测量血流速度，揭示早期肿瘤对周围组织的代谢重塑。
2. 药物研发与疗效评估
靶向药物筛选：通过荧光探针标记药物载体（如纳米颗粒），观察其在肿瘤内的富集与释放动力学。例如，LumiFluor AVIS S 5 系统支持实时监测荧光标记药物在荷瘤小鼠体内的分布与代谢。
免疫治疗评估：结合生物发光成像与分子探针，量化免疫细胞（如 CAR-T 细胞）对肿瘤的杀伤效果。Viber NEWTON 7.0 系统的序列成像功能可生成肿瘤消退的动态视频，辅助评估治疗时序与剂量优化。
3. 分子机制研究
信号通路动态追踪：通过荧光共振能量转移（FRET）探针监测肿瘤细胞内信号传导事件。Becker & Hickl 的 FLIM 显微镜可解析荧光寿命变化，用于研究蛋白质互作及受体激活状态。
RNA 与基因表达成像：CRISPR-Csm 系统改造的 smLiveFISH 技术首次实现活细胞内天然 RNA 的单分子实时追踪，可捕捉 mRNA 在肿瘤细胞内的运输与定位异常，为癌症转移机制研究提供新视角。
三、最新进展与技术突破
1. 智能化与 AI 驱动
深度学习图像增强：结合卷积神经网络（CNN）与 Transformer 架构（如 UI-Trans Net），提升低信噪比下的成像质量。例如，斑马鱼心跳影像经 AI 处理后，信噪比提升 3-5 倍，心肌细胞结构清晰度显著改善。
自动化数据分析：系统内置算法可自动识别肿瘤区域、计算信号强度并生成三维重构模型。Bruker Albira Si 的 PMOD 软件支持药代动力学建模与 SUV 值定量，加速研究结果转化。
2. 微型化与多模态整合
便携式成像设备：超维景研发的微型化双光子显微镜（探头仅 2.17 克）可植入动物颅骨，实现自由行为状态下的深脑肿瘤神经元活动成像，获《Nature Methods》年度方法认证。
多模态融合平台：例如，Milabs U-CT/OI 系统整合 X-Ray、光学及核素成像，支持清醒动物的长期纵向研究；光声科技的多模态小动物成像仪结合光学与声学优势，突破传统技术 “看不深” 与 “看不清” 的瓶颈。
3. 分子探针创新
级联响应探针：如 NP-NH-D5 探针通过肿瘤微环境多重刺激（酶解、还原）逐步激活，显著提高肿瘤摄取效率并诱导细胞焦亡，实现成像 - 治疗一体化。
跨物种兼容探针：QM-FN-DOTA 探针在比格犬模型中验证了血脑屏障穿透性，为临床转化奠定基础。
四、典型系统与技术参数
系统名称 核心技术 关键参数 应用场景
Viber NEWTON 7.0 生物发光 / 荧光三维成像、拓扑扫描、光谱分离 分辨率 2160×2160，制冷 CCD 相机（-90°C），支持 6×6 cm 至 20×20 cm 视野，三维重构精度达微米级 肿瘤三维生长动态、药物代谢时序分析
LumiFluor AVIS S 5 生物发光 / 荧光 / X-Ray 多模态成像、气体麻醉集成 光谱拆分通道 8 个，X 射线分辨率≤4.5 μm，支持切伦科夫辐射成像 骨肿瘤定位、放射性药物分布研究
Bruker Albira Si PET/SPECT/CT 多模态成像、呼吸门控 PET 分辨率 0.7 mm，CT 体素 5 μm，支持全身动态扫描与多动物同步成像 肿瘤代谢成像、靶向药物剂量优化
超维景微型双光子显微镜 微型化探头（2.17 克）、自由行为成像 成像深度 > 1 mm，时间分辨率毫秒级，兼容小鼠全皮层神经元活动监测 肿瘤微环境神经 - 免疫互作机制研究
五、挑战与未来方向
探针特异性与生物相容性：需进一步优化探针设计以减少非特异性结合，并降低长期成像的毒性风险。
成像深度与分辨率平衡：光声、多光子等技术在深层组织中的分辨率仍需提升，AI 辅助图像重建或成关键突破点。
临床转化瓶颈：动物模型与人类生理差异可能影响探针及成像技术的临床适用性，需加强跨物种验证与标准化流程。
多组学数据整合：结合单细胞测序、蛋白质组学等数据，构建肿瘤微环境的全景分子图谱，推动精准医学研究。
六、供应商与市场动态
国际品牌：PerkinElmer（IVIS 系列）、Bruker（Albira）、Viber（NEWTON）等占据高端市场，技术成熟但价格较高（如 Bruker 系统单价超 200 万美元）。
国产突破：超维景、光声科技等企业通过自主创新实现微型化多光子显微镜、光声成像仪的产业化，产品性能接近国际水平且成本降低 30%-50%。
政府采购案例：国内医院及科研机构近年采购的典型系统包括 Revvity IVIS Lumina Series III（188 万元）、广州光仪 LASER-FS100（235 万元），显示国产化趋势加速。
这类系统的发展正从单一成像向 “成像 - 治疗 - 监测” 一体化迈进，结合 AI 与分子探针技术的革新，将为肿瘤精准诊疗提供更高效的临床前研究工具。
