小動物活體光學成像技術在感染性疾病研究中的應用（二）

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。

在利用小動物活體光學成像技術觀測病原體在動物體內感染情況的同時，還可應用 該技術觀測機體對病原體入侵的免疫反應。

此類應用可以通過三種方式實現：

1、利用 報告基因標記在免疫細胞中特異性表達的基因啟動子而構建轉基因動物，以該轉基因動 物為實驗模型，用經光學標記的病原體對其進行感染，觀測病原體感染而引發的免疫細 胞應答；

2、利用報告基因標記目的基因的啟動子構建轉基因動物，觀測病原體感染后 該基因的表達情況，了解免疫應答的分子機理；

3、利用某種免疫相關基因被敲除的基 因敲除鼠作為實驗模型，觀測病原體的感染情況，以了解這些基因在免疫反應中的作用。

01

利用轉基因小鼠觀察感染

Cho 等利用 LysEGFP 轉基因小鼠作為實驗用鼠，應用 IVIS 系統觀測了生物發光金黃色葡萄球菌經皮膚傷口感染小鼠后引發的嗜中性粒細胞的免疫應答。由于實驗小鼠是 LysEGFP 轉基因小鼠，因此其體內的嗜中性粒細胞即為 EGFP 所標記，因此在用生物發 光成像模式觀測細菌感染的同時，也能通過熒光成像模式觀測嗜中性粒細胞在感染部位 的聚集。

如下圖所示，與未經感染的對照組相比，金黃色葡萄球菌的感染引發了大量嗜中性粒細胞在感染部位的聚集，這伴隨著細菌感染程度相應地降低，而對照組中少量嗜 中性粒細胞的聚集是由于皮膚創傷而引起的免疫反應。

上圖：應用 IVIS 系統觀測生物發光金黃色葡萄球菌對 LysEGFP 轉基因小鼠皮膚傷口的感染及所引起的嗜中性粒細胞的免疫應答情況。左，不同時間點金黃色葡萄球菌感染生物發光成像及定量結果；右，EGFP 標記的嗜中性粒細胞對細菌感染的應答熒光成像及定量結果。

IL-1R 信號通路的激活在嗜中性粒細胞對金黃色葡萄球菌皮膚感染的免疫應答中起 重要調控作用，而 IL-1α 和 IL-1β 是激活 IL-1R 信號通路的兩種主要配體。Miller 等人 通過應用敲除上述兩種基因的基因缺陷型小鼠 IL-1α-/-、IL-1β-/-及 IL-1α/ IL-1β -/-，揭示了 IL-1β 在趨化嗜中性粒細胞到達皮膚感染區域所起的重要調控作用。結果顯示，金黃色 葡萄球菌對野生型小鼠及 IL-1α-/-缺陷型小鼠中的感染程度相當，而對 IL-1β-/-及 IL-1α/ IL-1β -/-缺陷型小鼠的感染程度明顯高于前兩者，說明 IL-1β 在趨化嗜中性粒細胞對金黃 色葡萄球菌皮膚感染的免疫應答中是必須的。

上圖：應用 IVIS 系統觀測生物發光金黃色葡萄球菌對野生型小鼠及三種基因缺陷型小鼠 IL-1α-/-、IL-1β-/- 和 IL-1α/ IL-1β -/-的皮膚感染情況。左，普通相機拍攝圖片；右，活體光學成像結果。

Cheeran 等利用從轉基因小鼠 Tg(β-actin-luc)中提取的脾細胞及淋巴結細胞，研究了免疫細胞對病毒感染的響應。研究者將提取的發光脾細胞及淋巴結細胞通過尾靜脈注入 腦室內感染巨細胞病毒的小鼠，利用 IVIS 系統觀測了上述免疫細胞在活體動物體內對 感染病灶點的浸潤。結果顯示，在未經病毒感染的正常小鼠體內，移植的淋巴細胞主要 聚集于脾內（如下圖-1dpi 所示），而當小鼠腦部感染病毒后，這些淋巴細胞會遷移至感染區域而發揮免疫清除作用。

上圖：利用 IVIS 系統觀測免疫細胞對病毒感染的免疫應答。A、小鼠背部朝上拍攝；B、小鼠腹部朝上拍 攝。-1dpi 為病毒感染前 24h 尾靜脈注射淋巴細胞成像結果，每張圖中從左至右第一只小鼠為注射生理鹽水 的對照小鼠，第二、三只小鼠為腦室內感染巨細胞病毒的疾病小鼠。

02

抗生素/疫苗抗感染藥物研發

應用傳統方式對抗生素、疫苗等抗感染藥物在活體水平的研發篩選，需要在給藥后 處死小鼠，取出感染部位，再通過 PCR、菌落計數、切片觀察等方法對藥物治療效果進 行評價。這些方式需要耗費大量實驗動物、進行繁瑣的實驗操作，很難實現高通量篩選， 且不能利用同一只動物從頭到尾的獲取實驗數據，因此很難獲取準確的重復性數據。小 動物活體光學成像技術是一種非侵入式活體觀測技術，無需在實驗過程中處死老鼠，并 且可以使用同一批老鼠完成不同時間點的觀測，因此已廣泛應用于抗感染藥物的研發。抗生素（antibiotics）是由微生物（包括細菌、真菌、放線菌屬）或高等動植物在生 活過程中所產生的具有抗病原體或其它活性的一類次級代謝產物，可用于治療各種細菌 感染或抑制致病微生物的感染。應用小動物活體光學成像技術可以評價抗生素對病原體 感染的治療效果。達托霉素（Daptomycin/Cubicin）是 Cubist Pharmaceuticals 制藥公司 研發的已獲得 FDA 認證的一種抗生素類藥物，可用于革蘭氏陽性菌感染而導致的腹膜 炎的治療。該公司在此藥物的研發過程中即應用到了小動物活體光學成像技術以評價該 抗生素對腹膜炎的治療效果。研究者應用生物發光金黃色葡萄球菌（S. aureus）通過腹 腔注射感染小鼠誘發腹膜炎，之后比較了 Daptomycin、Vancomycin 及 Linezolid 三種抗 生素對細菌感染的抑制效果。

結果顯示，Daptomycin 的治療效果好，如下圖：

上圖：利用 IVIS 系統觀測 Daptomycin（50 mg/kg）、Vancomycin（100 mg/kg）及 Linezolid（100 mg/kg） 三種抗生素對金黃色葡萄球菌感染的抑制效果。

疫苗是將病原微生物（如細菌、立克次氏體、病毒等）及其代謝產物，經過人工減 毒、滅活或利用基因工程等方法制成的用于預防傳染病的自動免疫制劑。疫苗保留了病 原菌刺激動物體免疫系統的特性。當動物體接觸到這種不具傷害力的病原菌后，免疫系 統便會產生一定的保護物質，如免疫激素、活性生理物質、特殊抗體等；當動物再次接觸到這種病原菌時，動物體的免疫系統便會依循其原有的記憶，制造更多的保護物質來 阻止病原菌的傷害。應用小動物活體光學成像技術可以評價疫苗對病原體感染的治療效果。Karanam 等應用 IVIS 系統觀測了聯合使用 TA-CIN 疫苗及 GPI-0100 輔藥對小鼠預 防性接種后，對熒光素酶基因標記的人乳頭瘤假病毒 HPV16 皮膚感染的預防治療效果。結果顯示，與單獨接種相比，TA-CIN 疫苗及 GPI-0100 輔藥的聯合使用能夠更好的抑制 人乳頭瘤假病毒的感染，其中 GPI-0100 輔藥在誘導體液及細胞免疫應答方面發揮重要作用。