小动物分子影像仪器的培训方法与平台管理

2018-03-30潘晓霞屈泽华黄红香

实验室研究与探索 2018年9期

关键词：光声仪器分子

潘晓霞, 屈泽华, 卜娟, 黄红香

(复旦大学聚合物分子工程国家重点实验室; 高分子科学系, 上海 200438)

0 引言

转化医学一直致力于弥补基础实验研究与临床和公共卫生应用之间的鸿沟[1]。分子影像则是转化医学中的重要手段。为了促使转化医学顺利进行，基础实验研究快速向临床转化，小动物分子影像仪器的合理而高效使用则必然成为其中的关键环节之一。

1 分子影像技术及转化医学

分子影像(Molecular Imaging, MI)是运用影像学手段显示组织水平、细胞和亚细胞水平的特定分子，反映活体状态下分子水平变化，对其生物学行为在影像方面进行定性和定量研究的科学。分子影像技术由于具有其独特技术特点，已成为基础研究成果转化到临床医学的桥梁和当今转化医学实现最关键载体[2-4]。

转化医学(Translational Medicine，TM)是美国国立卫生院(National Institutes of Health, NIH)在2003年提出的健康领域的新概念，并将其简化定义为“从基础研究的发现到改善患者的健康状况的全过程”。转化医学研究的目的就在于加速将基础研究的成果向临床医学转化。

目前常用的小动物分子影像技术有光学成像技术、光声和超声成像技术、磁共振成像技术、高分辨率X线显微计算机断层成像技术(显微CT)、单光子发射计算机断层成像技术(SPECT)和正电子发射断层成像技术(PET)等[5]。

2 仪器介绍

2.1 共享仪器平台简介

共享仪器平台依托于复旦大学高分子科学系暨聚合物分子工程国家重点实验室，创建于1998年。聚合物分子工程国家重点实验室以“国家重大需求和学科前沿导向的基础研究”为总体定位，“生物医用高分子的设计”为实验室设置的4个主要研究方向之一。为满足科研需求，目前实验室已购置3台小动物分子影像类仪器。

共享仪器平台目前拥有总价值超过6 000万元的光谱、色谱、质谱、显微观测和物性等分析测试仪器以及高分子材料加工及性能测试设备，其中生物类仪器超过1 000万元，生物类仪器已成为平台极为重要的一类仪器。平台所有仪器设备采取“集中管理、共享开放、有偿使用”的管理模式，凡是重点实验室的师生均可参加操作培训，取得相应操作资格后即可自行网上预约使用仪器。一个良性有序、有据可依的管理环境是仪器开放共享的必备基础[6]。共享仪器平台技术人员在十几年的工作中积累了丰富的管理经验，为加强大型仪器的共享开放，陆续制定了系列规章制度，用以规范仪器预约、使用、故障处理、测试收费等环节，从而保障大型精密仪器的共享开放。

2.2 小动物分子影像仪器介绍

共享仪器平台目前共有3台小动物分子影像仪器。其中，小动物多角度光学活体成像系统(Optical and X-ray small animal imaging system)由Bruker公司生产，型号为In Vivo Xtreme。于2013年10月安装并投入使用。仪器配置了多种成像模式，包括荧光成像、生物发光成像、X光成像、白光成像等。多模式小动物光声/超声成像系统(High resolution pre- clinical photoacoustic imaging system)由FujiFilm VisualSonics公司生产，型号为Vevo LAZR。于2016年10月安装并投入使用。具备连续多光谱光声扫描、血氧饱和度、超声造影、三维测量等功能。小动物X射线计算机断层成像系统 (High resolution in Vivo Micro-CT imaging system)由Bruker公司生产，型号为SkyScan 1176。于2014年2月安装并投入使用。3台小动物分子影像仪器自开放运行以来一直运行良好，没有出现过大型事故，仪器的故障率也非常低，年均低于5%。

3 仪器的培训

共享仪器平台依托于复旦大学高分子科学系和聚合物分子工程国家重点实验室，这也决定了生物类仪器的培训同其他仪器的培训有一定的共同性和不同性。共同性在于生物类仪器将遵从共享仪器平台一贯的运行原则，即聚合物分子工程国家重点实验室师生均可参加操作培训，取得相应操作证后即可自行网上预约仪器上机测试[7-8]。不同的地方是，大部分培训学员来自非生物专业方向，对上述仪器的接触比较少，部分学员甚至是从未接触过该类仪器，因此在整个培训过程中需要特殊对待。

3.1 培训的基本内容

由于共享仪器平台共有3台小动物分子影像仪器，但是3台仪器的操作均较为复杂，不可能在同一期培训中全部完成，每期培训只能针对1台仪器。但为了更好地让培训学员了解各仪器的性能和应用范围，培训教员将在其中1台仪器的理论讲解以及操作讲解过程中穿插介绍其余2台仪器的内容，以便于各学员可以更好了解各台仪器的性能，从而更加高效设计和安排各自的科研计划。3台小动物分子影像仪器成像原理不同，成像优势也各有不同，因此在培训过程中，一定要将其逐一介绍清楚。

在介绍光学活体成像技术时，对其包含的各种成像技术需逐一介绍，比如讲解生物发光，首先介绍生物发光的概念、原理，同时需要联系生物发光与荧光成像的技术差别，以及2种技术的灵敏度级别，两者在应用上的区别，各技术分别受哪些因素影响和制约等等进行全面讲解。讲解各种活体成像技术时，要着重注意结合应用技术的实例进行解释、分析，使学生快速掌握活体成像的多样化的标记手段，如何广泛应用于各种药物的标记、药理药效的分析和监测、靶向检测，以及如何通过荧光与生物发光相结合来实现肿瘤生长，增值及调亡等的研究[9-10]。

对于光声成像内容的讲解，不仅要让学生了解光声成像的基本概念和原理知识，还要让学生快速了解光声成像是如何实现药物动力学与生物分布的研究，血氧分布与浓度的研究，光动力治疗和光热材料治疗的研究等[11-13]，使学生快速掌握光声成像独特的优势，合理利用仪器完成科研任务。

对于CT成像仪器，在讲授其基本操作方法时，不仅要教授学生其成像的方法与原理，还要教授学生如何利用图片对生物体内的骨骼，脂肪，肌肉组织等进行成像和形态学分析，以及对于密度没有差异的组织，如何借助造影剂进行造影和成像。举例说明CT成像技术如何实现组织形态学、骨科/炎症、呼吸道/肺部疾病，心血管疾病、脂肪代谢、生物和药物材料/载体等领域的研究，以及CT的优势与局限性等内容[5]。

通过上述的讲解，基本可以让参加培训的学员了解到不同成像模态之间由于其原理不同在应用上并不能完全的互相代替，但可以互为补充，在今后的研究中合理选择研究手段、仪器操作实验中多加注意实验方法。

3.2 培训的方式方法

3台小动物分子影像仪器均较为贵重，因此采用操作培训、考核上机的方式方法进行培训，进而有效提高仪器的使用水平和延长仪器的使用寿命[14]。仪器的培训共包括下面5个部分：

(1) 培训前考察。此过程主要考察学员对于小动物分子影像仪器的熟悉程度。但由于共享仪器平台依附于高分子科学系，因此部分学员的生物医学知识相对薄弱，且对小动物分子影像仪器较为陌生。经过初步的考察，则可以更好地了解每个参加培训的学员的生物基础程度，在仪器培训期间可以更好地有针对性进行讲解。

(2) 理论讲解。理论讲解内容包括仪器原理、构造、以及应用案例和参考文献等，采用PPT的形式进行讲解。

(3) 仪器操作。仪器操作可以拆分为3步走。① 仪器操作过程示范。包括演示仪器全部的操作步骤，以及仪器操作的安全注意事项和实验室的安全注意事项讲解，其中生物学实验室的安全注意事项要在培训过程中进行重点强调[15]。但基于培训学员大多来自高分子科学系，对生物医学的基础知识比较薄弱，因此在培训过程中需要加强部分生物医学基础知识的讲解。例如，可以通过介绍外科手术中的无菌操作规范，迅速让零基础的学员领会无菌操作的意义和要领等。② 在培训教员的指导下，培训学员自行上机操作，一般2人/组，1.5 h/人。期间2个培训学员可以相互讨论共同完成仪器操作。③ 培训学员进行单独上机操作，一般1.5 h/人。经过前面的培训内容，此时培训学员基本可以独立完成仪器的操作，培训教员则可以根据每位学员的实验样品情况有针对性地讲述一些参数的优化技巧等。

(4) 考核。考核内容分为理论知识考核和上机操作考核两部分来进行。

(5) 实习。考核通过后总的实习期为1个月，要求培训学员必须将实习安排在不同的3周内至少完成3次练习，以达到巩固记忆的效果。

通过以上的培训，学员培训合格后则可获得相应仪器的操作资格。

4 仪器管理

经过规范而严格的培训后，学员们可以牢固掌握仪器的理论知识、仪器的操作技巧、仪器使用中的注意事项，以及实验室的安全注意事项等等，这为仪器的日常管理和维护提供了强有力的技术支持和保障。此外，学员在培训合格获取操作资格后，每3个月仍必须有一次有效上机操作仪器的记录，否则将被吊销操作资格。这样可避免培训学员由于操作仪器生疏、操作不当而损坏仪器。进而，则可实现各台小动物分子影像仪器在重点实验室内的安全而高效的共享使用。

此外，为促进大型科学仪器设施的共享，提高其利用率，增强科技创新能力，小动物分子影像仪器同共享仪器平台上其他仪器一样加入了上海市及国家大型仪器共享服务网，面向社会开放，也可由非关联单位、个人用于科学研究和技术开发。目前，3台仪器均开放至少15%的时间面向社会提供分析测试研究和检测等技术服务。如此，在为社会提供服务的同时，仪器管理人员也可以接触到更多种类的试验样品，丰富并积累教学经验，达到事半功倍的效果。