具有熒光及生物發(fā)光源的交叉形態(tài)加權(quán)特征的漫射介質(zhì)成像的系統(tǒng)、方法及設(shè)備的制造方法
【專利說明】具有熒光及生物發(fā)光源的交叉形態(tài)加權(quán)特征的漫射介質(zhì)成 像的系統(tǒng)、方法及設(shè)備
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)案
[0002] 本申請(qǐng)案主張2012年10月15日申請(qǐng)的第61/714, 198號(hào)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)案的 優(yōu)先權(quán)及權(quán)益并將所述臨時(shí)專利申請(qǐng)案以全文引用方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明大體上涉及活體內(nèi)成像系統(tǒng)及方法。更特定來說，在某些實(shí)施例中，本發(fā)明 涉及采用共同定位的熒光源及生物發(fā)光源的斷層成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004] 漫射介質(zhì)中的成像主要由于其在生物學(xué)及醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用而成為有吸引力的研 宄領(lǐng)域，其在例如癌癥研宄、藥品開發(fā)、炎癥及分子生物學(xué)方面顯示出巨大潛力。隨著高度 特定可激活熒光探針的發(fā)展，在活體內(nèi)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(xué)波長(zhǎng)進(jìn)行，所以光在組織中經(jīng)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(jī)化。即使可記錄來自組織的熒光或生物發(fā)光發(fā)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(fā)光報(bào)道子的濃度、大小及位置存在非線性關(guān)系，從而導(dǎo)致稱作 病態(tài)問題的問題。近來開發(fā)的方法及系統(tǒng)通過引入熒光對(duì)激發(fā)的空間依賴性且通過漫射近 似法對(duì)組織中的光傳播進(jìn)行適當(dāng)建模來利用斷層成像途徑減輕此病態(tài)性，從而能夠恢復(fù)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(shè)在測(cè)量熒光時(shí)可完全阻斷激發(fā)光，這些斷層成像技術(shù)的靈敏度將僅取決于檢測(cè)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(fā)射強(qiáng)度及激發(fā)強(qiáng)度彼此成 比例（至少對(duì)于小動(dòng)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(nèi)不會(huì)出現(xiàn)明顯的加熱。
[0005] 然而，活體內(nèi)測(cè)量的實(shí)際情況是完全不同的。由于組織中始終存在著周圍自發(fā)熒 光的激發(fā)，所以系統(tǒng)的靈敏度在很大程度上取決于區(qū)分歸因于熒光探針而引起的特定信號(hào) 與周圍自發(fā)熒光的非特定信號(hào)的能力。這種問題在以反射模式激發(fā)時(shí)變得更加明顯，這是 因?yàn)楦蟮淖园l(fā)熒光貢獻(xiàn)將來自最靠近相機(jī)的組織切片。實(shí)際上，斷層成像數(shù)據(jù)或一般來 說熒光數(shù)據(jù)的任何集合的靈敏度由自發(fā)熒光在與特定信號(hào)相比時(shí)的水平確定。這個(gè)問題通 過使用遠(yuǎn)紅外或近紅外（NIR)熒光信號(hào)而在一定程度上得到克服，這是因?yàn)榻M織自發(fā)熒光 在光譜的這一部分中稍微減少，其中額外優(yōu)點(diǎn)是組織在光譜的這一部分中呈現(xiàn)較低的吸收 特性。這是使用在光譜中的遠(yuǎn)紅外或近紅外部分中發(fā)射的熒光探針時(shí)的情況，所述熒光探 針在存在特定的分子活動(dòng)時(shí)被激活。這種類型探針的優(yōu)點(diǎn)是其提供了高信噪比。然而，在大 多數(shù)實(shí)際例子中，可檢測(cè)到的信號(hào)的數(shù)量取決于有多少特定信號(hào)超出周圍組織自發(fā)熒光。
[0006] 為了將特定信號(hào)的貢獻(xiàn)與非特定信號(hào)的貢獻(xiàn)分離，最常見的途徑是在假設(shè)發(fā)射光 譜已知的情況下運(yùn)用多光譜測(cè)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(cè)量的每一發(fā)射波長(zhǎng)處，存在來自組織自發(fā)熒光的未知貢獻(xiàn)。特定信號(hào)越弱，自發(fā)熒光的影 響越占主導(dǎo)地位。
[0007] 生物發(fā)光報(bào)道子提供以下顯著優(yōu)點(diǎn)：不需要外部照明以將其置于激發(fā)態(tài)使得其將 發(fā)射光。由于是通過化學(xué)反應(yīng)達(dá)到激發(fā)態(tài)，所以發(fā)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(fā)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(tài)問題相關(guān)。由于當(dāng)前不可能有效地引入對(duì)此發(fā)射的強(qiáng)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(shí)恢復(fù)生物發(fā)光探針濃度的空間 分布。因此，因?yàn)橹饕繕?biāo)是恢復(fù)探針濃度的空間分布，所以在生物發(fā)光的情況下無法像在 熒光的情況下那樣實(shí)質(zhì)上減少病態(tài)問題。
[0008] 需要一種光學(xué)成像系統(tǒng)，在所述光學(xué)成像系統(tǒng)中，可將生物發(fā)光探針的低背景及 不存在自發(fā)熒光與由熒光探針展現(xiàn)出的特定性、高量子產(chǎn)率及發(fā)射強(qiáng)度調(diào)制的外部能力相 結(jié)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 在某些實(shí)施例中，本發(fā)明涉及用于熒光探針及/或生物發(fā)光報(bào)道子的活體內(nèi)斷層 成像的系統(tǒng)及方法，其中熒光探針及生物發(fā)光報(bào)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(zhì)（例如，生物組織）中。根據(jù)本文中所 描述的方法組合從生物發(fā)光形態(tài)與熒光形態(tài)獲得的測(cè)量。
[0010] 在一個(gè)方面中，本發(fā)明提供一種用于對(duì)漫射物體的靶區(qū)域進(jìn)行成像的方法，所述 方法包括：(a)向物體施用生物發(fā)光底物（及/或化學(xué)發(fā)光底物）；(b)通過所述物體的所述 靶區(qū)域中的生物發(fā)光報(bào)道子檢測(cè)從所述物體發(fā)射的生物發(fā)光光（及/或化學(xué)發(fā)光光）（例 如，使用外部檢測(cè)器）；（c)向物體施用包括熒光物質(zhì)（及/或聯(lián)合的熒光/生物發(fā)光物質(zhì)） 的探針；（d)在多個(gè)位置處及/或以多個(gè)角度將激發(fā)光引導(dǎo)到所述物體中，借此激發(fā)所述熒 光物質(zhì)；（e)檢測(cè)熒光光（例如，作為檢測(cè)器位置、激發(fā)光源位置或檢測(cè)器位置及激發(fā)光源 位置兩者的函數(shù)），所述檢測(cè)到的熒光光已由于所述激發(fā)光的激發(fā)而由所述漫射物體的靶 區(qū)域中的所述熒光物質(zhì)發(fā)射；（f)檢測(cè)激發(fā)光（例如，作為檢測(cè)器位置、激發(fā)光源位置或檢 測(cè)器位置及激發(fā)光源位置兩者的函數(shù)），所述檢測(cè)到的激發(fā)光已透射穿過所述漫射物體的 所述區(qū)域（透射式照明）或已從所述漫射物體的所述區(qū)域反射（落射式照明）；及（g)處 理對(duì)應(yīng)于所述檢測(cè)到的生物發(fā)光光、所述檢測(cè)到的熒光光及所述檢測(cè)到的激發(fā)光的數(shù)據(jù)以 提供所述漫射物體內(nèi)的所述靶區(qū)域的圖像。
[0011] 在某些實(shí)施例中，生物發(fā)光報(bào)道子是內(nèi)源性的。在某些實(shí)施例中，生物發(fā)光報(bào)道子 在物體內(nèi)部由生物發(fā)光細(xì)胞系表示。在某些實(shí)施例中，生物發(fā)光報(bào)道子是外源性地施用的。 在某些實(shí)施例中，生物發(fā)光報(bào)道子作為串聯(lián)生物發(fā)光-熒光探針的組件向所述物體施用。
[0012] 在某些實(shí)施例中，在步驟（C)之后，生物發(fā)光報(bào)道子中的至少一些與（熒光）探針 中的至少一些實(shí)質(zhì)上共同定位于所述物體的靶區(qū)域中。在某些實(shí)施例中，在步驟（C)之后， 所述生物發(fā)光報(bào)道子也存在于所述物體中不與所述（熒光）探針實(shí)質(zhì)上共同定位的一或多 個(gè)位置處。在某些實(shí)施例中，步驟（C)中的探針包括熒光物質(zhì)及與熒光物質(zhì)串聯(lián)的生物發(fā) 光報(bào)道子兩者（例如，生物發(fā)光報(bào)道子及熒光探針包括單一構(gòu)造）。在某些實(shí)施例中，不要 求生物發(fā)光報(bào)道子及熒光物質(zhì)在FRET型距離內(nèi)成對(duì)或共同定位。共同定位可意味著定位 于宏觀層面的距離內(nèi)。舉例來說，在某些實(shí)施例中，甚至在生物發(fā)光報(bào)道子及熒光物質(zhì)分離 達(dá)宏觀層面的距離（舉例來說，長(zhǎng)達(dá)約Imm或長(zhǎng)達(dá)約2mm，而非如在FRET及BRET中長(zhǎng)達(dá)約 5到IOnm)的情況中也可使用所述方法。
[0013] 在某些實(shí)施例中，漫射物體包括活的生物組織（活體內(nèi)成像）。在某些實(shí)施例中， 漫射物體是哺乳動(dòng)物。在某些實(shí)施例中，所述靶區(qū)域的圖像是斷層成像圖像。在某些實(shí)施 例中，所述方法進(jìn)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(nèi)。 舉例來說，在某些實(shí)施例中，所述靶區(qū)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(xù)函數(shù)表征（例如，以笛卡爾坐標(biāo)、極坐標(biāo) 或柱面坐標(biāo)），借此促進(jìn)斷層成像重構(gòu)。
[0014] 在某些實(shí)施例中，步驟（b)包括使用定位于所述物體外部的檢測(cè)器檢測(cè)生物發(fā)光 光。在某些實(shí)施例中，步驟（b)包括根據(jù)檢測(cè)器位置檢測(cè)生物發(fā)光光。在某些實(shí)施例中，步 驟（b)包含使用與所述物體光學(xué)接觸的檢測(cè)器（例如，檢測(cè)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(dǎo)、光纖引導(dǎo)件、光學(xué)匹配流體及/或透 鏡使得光學(xué)接觸在檢測(cè)期間得以維持）檢測(cè)生物發(fā)光光。在某些實(shí)施例中，步驟（b)包括 使用檢測(cè)器檢測(cè)生物發(fā)光光，所述檢測(cè)器經(jīng)定位使得在所述檢測(cè)器與所述物體之間存在非 漫射介質(zhì)（例如，空氣層）。在某些實(shí)施例中，步驟（b)包括使用發(fā)射濾光片檢測(cè)生物發(fā)光 光。在某些實(shí)施例中，步驟（b)包括在不使用發(fā)射濾光片的情況下檢測(cè)生物發(fā)光光。
[0015] 在某些實(shí)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(shí)施例中，步驟（d)包括將可見光及/或近紅外光引導(dǎo)到所述物體中。在某 些實(shí)施例中，步驟（d)包括將激發(fā)光的點(diǎn)源引導(dǎo)到所述物體中。在某些實(shí)施例中，步驟（d) 包