生物发光 Bioluminescence

要让小鼠自发光，靠的是生物发光过程，也就是让荧光素酶催化底物氧化反应，产生发射光。

我们可以将荧光素酶（luciferase）基因，如：萤火虫荧光素酶，整合到细胞或动物 DNA 中以表达荧光素酶，在ATP、镁离子和氧气存在的条件下，外源给予底物荧光素（luciferin），荧光素酶催化底物氧化反应产生发射光。只有活细胞内才会产生发光现象，且光的强度与标记细胞的数目成正比。

实验室常用的荧光素酶有：

活体动物体内可见光成像 In Vivo Optical Imaging

主要采用生物发光成像 (BLi,Bioluminescence imaging) 和（或）荧光成像 (Fluorescence imaging) 技术，对细胞、细菌、病毒、蛋白、抗体、核酸、小分子药物分子和纳米材料等进行标记，并通过超高灵敏度相机采集产生的微弱信号，从而了解研究对象在体内的生物学反应和过程，实时观察动物体内肿瘤的生长及转移、疾病发生发展过程、材料或药物在体内的代谢、基因表达等生物学过程。

IVIS （In Vivo Imaging Systems）

小动物活体光学成像系统，通过配备的高灵敏CCD相机、不透光成像室和全自动化的分析功能，具有高灵敏度生物发光和荧光成像性能，使我们能够更全面地了解小动物模型体内复杂的细胞活动和基因行为。

基于BLi的IVIS检测优势

1.更灵敏

生物发光不需要激发光，特异性强，被组织吸收少，动物体内无自发光，因此生物发光背景低、信噪比高，与荧光蛋白的荧光成像相比，生物发光成像体内检测更灵敏，可用于精确测量。

2.非侵入

采用非侵入式方法，实时连续动态检测体内的各种生物学过程，从而减少实验动物数量，降低个体差异的影响，有利于长期观察。

应用领域

基因表达、蛋白质间相互作用、癌症研究、免疫学研究、干细胞研究、神经疾病研究、药物研发与药效评估等等。

举例

1.实时监测肿瘤细胞增殖和转移

无论皮下荷瘤还是特定组织内肿瘤，传统的方法均无法在保证荷瘤小鼠存活的条件下检测体内原位或者转移肿瘤；而利用IVIS可以长时间不同时间点、无创伤的定量检测小鼠肿瘤。比如下图：将荧光素酶标记的结肠癌细胞株注射到裸鼠脑内，利用IVIS可以在固定时间点观察和统计脑内肿瘤的生长和转移。

2.利用基因工程小鼠模型实时检测炎症相关因子表达变化

• IL1β-Luc 转基因小鼠

通过显微注射技术构建的受人 IL-1β promoter 调控的 Luciferase 转基因小鼠，在 LPS 注射刺激后的不同时间点分别进行背部以及腹部成像检测，观察小鼠整体荧光表达变化，并且能够模拟内源性 IL-1β 变化趋势。

IL-1β转基因小鼠在LPS刺激后不同时间点的雄性（Male）和雌性（Female）小鼠荧光表达变化（左图）以及内源性IL-1β相对表达定量结果（右图）。

• Il1a-Luc 基因敲入小鼠

通过 CRISPR/Cas9 技术构建內源 Il1a-Luc 基因敲入小鼠模型，在 LPS 注射后不同时间点进行荧光成像检测，可实时观测內源 Il1a 基因的表达强度变化。

参考文献

1、Lim E., et al. In vivo bioluminescent imaging of mammary tumors using IVIS spectrum. J Vis Exp, 2009, (26)

2、Li L., et al. Functional imaging of interleukin 1 beta expression in inflammatory process using bioluminescence imaging in transgenic mice. BMC Immunol, 2008, 9:49

3、Mezzanotte L., et al. In Vivo Molecular Bioluminescence Imaging: New Tools and Applications. Trends Biotechnol. 2017 Jul;35(7):640-652.