具有熒光及生物發光源的交叉形態加權特征的漫射介質成像的系統、方法及設備的制造方法
【專利說明】具有熒光及生物發光源的交叉形態加權特征的漫射介質成 像的系統、方法及設備
[0001] 相關申請案
[0002] 本申請案主張2012年10月15日申請的第61/714, 198號美國臨時專利申請案的 優先權及權益并將所述臨時專利申請案以全文引用方式并入本文中。
技術領域
[0003] 本發明大體上涉及活體內成像系統及方法。更特定來說，在某些實施例中，本發明 涉及采用共同定位的熒光源及生物發光源的斷層成像系統。
【背景技術】
[0004] 漫射介質中的成像主要由于其在生物學及醫學方面的應用而成為有吸引力的研 宄領域，其在例如癌癥研宄、藥品開發、炎癥及分子生物學方面顯示出巨大潛力。隨著高度 特定可激活熒光探針的發展，在活體內以分子水平獲取信息的新方式已成為可能。由于組 織中存在的固有散射以光學波長進行，所以光在組織中經多重散射的且其原始傳播方向在 稱作散射平均自由程Isc (-段表示組織的不同成分的散射的密度及效率的距離）的距離 之后被隨機化。即使可記錄來自組織的熒光或生物發光發射的圖像，但由于散射的存在，這 些圖像與熒光探針或生物發光報道子的濃度、大小及位置存在非線性關系，從而導致稱作 病態問題的問題。近來開發的方法及系統通過引入熒光對激發的空間依賴性且通過漫射近 似法對組織中的光傳播進行適當建模來利用斷層成像途徑減輕此病態性，從而能夠恢復具 有約為散射平均自由程（Isc)或更好的分辨率的熒光濃度的空間分布。在理想狀況下，假 設在測量熒光時可完全阻斷激發光，這些斷層成像技術的靈敏度將僅取決于檢測器效率及 探針亮度以及存在于組織中的吸收。在這種理想情況下，由于發射強度及激發強度彼此成 比例（至少對于小動物成像可接受的功率來說如此），所以可通過增大激光功率來提高靈 敏度，這可確保在組織內不會出現明顯的加熱。
[0005] 然而，活體內測量的實際情況是完全不同的。由于組織中始終存在著周圍自發熒 光的激發，所以系統的靈敏度在很大程度上取決于區分歸因于熒光探針而引起的特定信號 與周圍自發熒光的非特定信號的能力。這種問題在以反射模式激發時變得更加明顯，這是 因為更大的自發熒光貢獻將來自最靠近相機的組織切片。實際上，斷層成像數據或一般來 說熒光數據的任何集合的靈敏度由自發熒光在與特定信號相比時的水平確定。這個問題通 過使用遠紅外或近紅外（NIR)熒光信號而在一定程度上得到克服，這是因為組織自發熒光 在光譜的這一部分中稍微減少，其中額外優點是組織在光譜的這一部分中呈現較低的吸收 特性。這是使用在光譜中的遠紅外或近紅外部分中發射的熒光探針時的情況，所述熒光探 針在存在特定的分子活動時被激活。這種類型探針的優點是其提供了高信噪比。然而，在大 多數實際例子中，可檢測到的信號的數量取決于有多少特定信號超出周圍組織自發熒光。
[0006] 為了將特定信號的貢獻與非特定信號的貢獻分離，最常見的途徑是在假設發射光 譜已知的情況下運用多光譜測量。盡管這種途徑稍微提高了靈敏度，但問題依然存在；在所 測量的每一發射波長處，存在來自組織自發熒光的未知貢獻。特定信號越弱，自發熒光的影 響越占主導地位。
[0007] 生物發光報道子提供以下顯著優點：不需要外部照明以將其置于激發態使得其將 發射光。由于是通過化學反應達到激發態，所以發射的光表示成像問題的無背景解決方案， 這類似于先前段落提到的熒光的理想情況。生物發光的此固有益處也存在一些缺陷，特定 來說與上文所提到的病態問題相關。由于當前不可能有效地引入對此發射的強度的空間依 賴性（然而這在熒光的情況下是可能的），所以不可能同時恢復生物發光探針濃度的空間 分布。因此，因為主要目標是恢復探針濃度的空間分布，所以在生物發光的情況下無法像在 熒光的情況下那樣實質上減少病態問題。
[0008] 需要一種光學成像系統，在所述光學成像系統中，可將生物發光探針的低背景及 不存在自發熒光與由熒光探針展現出的特定性、高量子產率及發射強度調制的外部能力相 結合。
【發明內容】
[0009] 在某些實施例中，本發明涉及用于熒光探針及/或生物發光報道子的活體內斷層 成像的系統及方法，其中熒光探針及生物發光報道子在空間上共同定位（例如，以等于或 小于光的散射平均自由程的距離定位）于漫射介質（例如，生物組織）中。根據本文中所 描述的方法組合從生物發光形態與熒光形態獲得的測量。
[0010] 在一個方面中，本發明提供一種用于對漫射物體的靶區域進行成像的方法，所述 方法包括：(a)向物體施用生物發光底物（及/或化學發光底物）；(b)通過所述物體的所述 靶區域中的生物發光報道子檢測從所述物體發射的生物發光光（及/或化學發光光）（例 如，使用外部檢測器）；（c)向物體施用包括熒光物質（及/或聯合的熒光/生物發光物質） 的探針；（d)在多個位置處及/或以多個角度將激發光引導到所述物體中，借此激發所述熒 光物質；（e)檢測熒光光（例如，作為檢測器位置、激發光源位置或檢測器位置及激發光源 位置兩者的函數），所述檢測到的熒光光已由于所述激發光的激發而由所述漫射物體的靶 區域中的所述熒光物質發射；（f)檢測激發光（例如，作為檢測器位置、激發光源位置或檢 測器位置及激發光源位置兩者的函數），所述檢測到的激發光已透射穿過所述漫射物體的 所述區域（透射式照明）或已從所述漫射物體的所述區域反射（落射式照明）；及（g)處 理對應于所述檢測到的生物發光光、所述檢測到的熒光光及所述檢測到的激發光的數據以 提供所述漫射物體內的所述靶區域的圖像。
[0011] 在某些實施例中，生物發光報道子是內源性的。在某些實施例中，生物發光報道子 在物體內部由生物發光細胞系表示。在某些實施例中，生物發光報道子是外源性地施用的。 在某些實施例中，生物發光報道子作為串聯生物發光-熒光探針的組件向所述物體施用。
[0012] 在某些實施例中，在步驟（C)之后，生物發光報道子中的至少一些與（熒光）探針 中的至少一些實質上共同定位于所述物體的靶區域中。在某些實施例中，在步驟（C)之后， 所述生物發光報道子也存在于所述物體中不與所述（熒光）探針實質上共同定位的一或多 個位置處。在某些實施例中，步驟（C)中的探針包括熒光物質及與熒光物質串聯的生物發 光報道子兩者（例如，生物發光報道子及熒光探針包括單一構造）。在某些實施例中，不要 求生物發光報道子及熒光物質在FRET型距離內成對或共同定位。共同定位可意味著定位 于宏觀層面的距離內。舉例來說，在某些實施例中，甚至在生物發光報道子及熒光物質分離 達宏觀層面的距離（舉例來說，長達約Imm或長達約2mm，而非如在FRET及BRET中長達約 5到IOnm)的情況中也可使用所述方法。
[0013] 在某些實施例中，漫射物體包括活的生物組織（活體內成像）。在某些實施例中， 漫射物體是哺乳動物。在某些實施例中，所述靶區域的圖像是斷層成像圖像。在某些實施 例中，所述方法進一步包括在步驟（b)、（d)、（e)及（f)之前將所述物體放置在固持器內。 舉例來說，在某些實施例中，所述靶區域的圖像是斷層成像圖像，且其中所述物體的表面至 少部分由所述固持器保形使得所述表面可由連續函數表征（例如，以笛卡爾坐標、極坐標 或柱面坐標），借此促進斷層成像重構。
[0014] 在某些實施例中，步驟（b)包括使用定位于所述物體外部的檢測器檢測生物發光 光。在某些實施例中，步驟（b)包括根據檢測器位置檢測生物發光光。在某些實施例中，步 驟（b)包含使用與所述物體光學接觸的檢測器（例如，檢測器的組件與物體本身或與所述 物體物理接觸的透明表面物理接觸，且/或使用光導、光纖引導件、光學匹配流體及/或透 鏡使得光學接觸在檢測期間得以維持）檢測生物發光光。在某些實施例中，步驟（b)包括 使用檢測器檢測生物發光光，所述檢測器經定位使得在所述檢測器與所述物體之間存在非 漫射介質（例如，空氣層）。在某些實施例中，步驟（b)包括使用發射濾光片檢測生物發光 光。在某些實施例中，步驟（b)包括在不使用發射濾光片的情況下檢測生物發光光。
[0015] 在某些實施例中，步驟（C)中的所述探針是可見光探針或近紅外熒光探針（例如， NIRF分子探針、紅色劑等）。
[0016] 在某些實施例中，步驟（d)包括將可見光及/或近紅外光引導到所述物體中。在某 些實施例中，步驟（d)包括將激發光的點源引導到所述物體中。在某些實施例中，步驟（d) 包