Revvity小動物活體光學成像技術已在生命科學基礎研究、臨床前醫學研究及藥物研發等領域得到廣泛應用。在眾多應用領域中，感染性疾病研究是活體光學成像技術的應用熱點之一。

在應用活體光學成像技術進行感染性疾病研究中，常用的標記方法及應用領域包括：

1、利用螢火蟲熒光素酶基因、海腎熒光素酶基因或細菌熒光素酶基因標 記細菌、病毒、真菌、寄生蟲等病原體，在活體水平觀測這些病原體在動物體內的感染 情況及抗生素、疫苗等藥物的治療效果；

2、通過熒光素酶基因或熒光蛋白基因標記 免疫細胞，以及利用特定基因-熒光素酶基因轉基因動物，觀測病原體感染所引發的機 體免疫應答及致病機理。

01

病原體在體內動態感染情況

利用 PCR、免疫切片等傳統方法對感染性疾病進行研究時，需要耗費大量的人力物 力，且不能實現在同一只活體小鼠中長期觀測病原體的動態感染情況，因而無法獲得準 確的重復性數據。小動物活體光學成像技術的出現，使得研究者能夠通過一定的方式對 細菌、病毒、真菌、寄生蟲等病原體進行光學標記，并利用活體光學成像系統長期觀測 病原體在體內的動態感染情況，在節省實驗耗材及簡化實驗操作的同時，可獲得更加直 觀準確的實驗結果。

在觀測細菌感染方面，研究者既可利用螢火蟲熒光素酶基因、海腎熒光素酶基因等 常用于標記真核細胞的報告基因進行標記，也可利用從某些發光細菌中提取的 lux 發光基因操縱子進行標記。后者的好處是，lux 操縱子中已含有表達熒光素酶及其底物的序列，因此無需再外源注射底物即可成像。

Revvity提供多種商業化的經細菌熒光素酶基因標記的生物發光細菌菌種（如下圖所示）：

研究者通過購買這些生物發光細菌，即可立即開展相關研究，無需自行標記。如 Hardy 等利用 IVIS 系統觀測了細菌熒光素酶基因標記的單核細胞增多性李斯特菌（Listeria monocytogenes）在小鼠體內的時空分布，如下圖：

應用 IVIS 系統觀測不同時間點李斯特菌在小鼠體內的感染情況。A.尾靜脈注射；B.口腔注射。

研究者在通過尾靜脈注射李斯特菌感染多只小鼠后發現，幾乎在所有被感染小鼠中，該細菌都會特異性分布于小鼠胸部，經手術將發光組織取出后發現，細菌主要集中于膽囊 內腔（the lumen of the gall bladder），如下圖所示。細菌在膽囊內腔的存留是一個非常危險的信號，因為膽囊內腔由于含有高濃度的膽汁而導致免疫細胞無法進入發揮免疫保 護作用，并且膽囊本身又對抗生素具有抵抗性，因此，細菌可以在此區域長期潛伏并隨時發作。

應用 IVIS 系統觀測到李斯特菌在膽囊內腔的特異性分布。左：感染 25 只小鼠，在 24 只中觀測到李 斯特菌在膽囊內腔的分布；右：將胸部發光組織取出后確認為膽囊內腔。

研究者接下來探討了李斯特菌在膽囊內腔的分布是否具有傳染性。由于膽囊在機體未進 食時會大量存儲由肝臟分泌的膽汁而處于擴張狀態，而當機體進食后，膽囊會收縮并將 膽汁通過膽管排入小腸而輔助對食物中的脂肪進行消化。因此，研究者通過對被感染的 小鼠禁食后再喂食，觀測李斯特菌是否能夠通過膽汁排泄途徑而進入消化道。結果顯示， 李斯特菌確實能夠通過膽汁排泄途徑而進入小腸（如下圖），并可能通過消化道的排泄 進入外界環境而具有傳染性。綜上所述，研究者利用活體光學成像技術，系統的研究了 李斯特菌在小鼠體內的感染分布、潛伏及潛在的傳染途徑，為該類疾病的治療提供了依據。

應用 IVIS 系統觀測李斯特菌經膽汁排泄途徑由膽囊進入消化道。B、C 分別為再喂食后 5min 及 50min 成像結果。

01

細菌生物膜的研究

對細菌生物膜（Bacterial Biofilm）的研究也是細菌感染研究的一大熱點。細菌生物膜是細菌在生長過程中附著于物體表面而形成的由細菌細胞及其分泌的含水聚合性基 質（主要為胞外多糖）等所組成的膜樣多細菌復合體。生物膜是細菌適應生存環境而形 成的與游走態細胞相對應的存在形式，它具有很強的抵抗機體免疫和抗生素的能力，在 臨床上形成難治性感染。Bernthal 等通過在小鼠下肢股骨遠端插入接種了生物發光金黃 色葡萄球菌（S. aureus）的不銹鋼針，模擬了人關節成形手術后經常發生的細菌生物膜 形成，并用 IVIS 系統及變壓掃描電鏡（VP-SEM）觀測了細菌感染及生物膜的形成（如 下圖）。這種實驗模型的建立為開發有效的治療手段及抗菌劑提供了有力工具。

通過模擬實驗觀測關節成形術后 S. aureus 的感染及生物膜的形成。A.模擬實驗示意圖及鋼針移植后 X 光成像結果；B.應用 IVIS 系統觀測不同數量生物發光 S. aureus 在關節處的感染情況；C.應用 VP-SEM 觀 測細菌生物膜的形成。

在病毒研究方面，研究者通常將螢火蟲熒光素酶基因插入病毒 DNA 中標記病毒， 進而觀測病毒在活體動物體內的動態變化。Milho 等人利用 IVIS 系統觀測比較了經不同途徑感染小鼠的鼠源皰疹病毒（murine herpesvirus-4, MuHV-4）在小鼠體內的感染分布情況。結果顯示，經鼻腔感染的病毒，在感染早期主要分布于小鼠的鼻腔及肺，隨著時 間的延長，病毒將集中分布于頸部淋巴結及脾等淋巴組織；經腹腔接種的病毒，在感染 早期分布于腹部的多個器官（如肝、脾、腎、腸、生殖系、隔膜），所時間的延長，病 毒將集中分布于脾及腸系膜淋巴結。因此，病毒的不同感染途徑可能會引起不同的發病機制。

應用 IVIS 系統觀測 MuHV-4 病毒經不同途徑接種后的感染情況。上，活體成像結果；下，將不同器 官取出后體外成像結果。

與細菌、病毒感染研究類似，研究者也可通過熒光素酶基因標記寄生蟲，觀測其在 活體動物體內的感染情況。如 Claes 等人利用 IVIS 系統觀測了經海腎熒光素酶基因標記的布氏錐蟲（Trypanosoma brucei）在小鼠體內的感染情況。體內及體外成像結果顯示， 經腹注射后，布氏錐蟲選擇性分布于睪丸。布氏錐蟲在睪丸的選擇性分布可能會使其避 開藥物的作用，因為許多藥物無法通過睪丸-血管屏障而進入睪丸。隨后的給藥實驗印 證了這種推斷，在布氏錐蟲感染小鼠 5 天后，用蟲草素（cordycepin）連續進行三天處 理，停藥后在第 15 天發現睪丸處重新出現布氏錐蟲生物發光信號。這一研究為開發治 療布氏錐蟲感染的有效藥物提供了依據。

應用 IVIS 系統觀測布氏錐蟲在小鼠體內的感染情況。左，感染后不同時間點活體成像結果；右上， 取出睪丸后體外成像結果；右下，蟲草素對布氏錐蟲的治療效果觀測。

近些年，研究者也開始利用熒光素酶基因標記真菌，并通過活體光學成像系統觀測真菌在動物體內的感染情況。Doyle 等人應用螢火蟲熒光素酶基因標記了從臨床病例中 獲得的白色念珠菌（Candida albicans），將該真菌尾靜脈注射入小鼠體內構建慢性敗血 癥感染模型，利用 IVIS 系統觀測了生物發光白色念珠菌在小鼠體內的感染情況。體內 及體外成像結果顯示，隨感染時間的延長，該菌主要分布于小鼠腎臟（如下圖）。

應用 IVIS 系統觀測白色念珠菌經尾靜脈注射后在小鼠體內的感染情況。A.體內成像結果；B.體外成像結果。