引言

         在生物发光成像（BLI）中，光信号的强度会受到多种因素的影响，因此，为确保实验的准确性与一致性，建立动力学曲线至关重要。那么，动力学曲线究竟是什么？哪些变量会改变信号？又该如何绘制动力学曲线？让我们一步步探讨这些问题。

理解酶促反应动力学曲线

         酶促反应动力学曲线描述了在反应中某些特定组分变化时，酶催化反应速率的变化情况。通常，这种变化与底物浓度的不同有关。

获得的数据通常会利用 Michaelis–Menten 方程 进行分析，并绘制成图：纵轴（Y 轴）表示反应速率，横轴（X 轴）表示底物浓度（Atkins Lab, n.d.）。

         下方给出了 Michaelis–Menten 方程及一般的酶促反应动力学曲线示意：

• Vmax：当底物浓度达到最大值时，体系所能达到的最大反应速率。

• [S]：底物浓度。

• Km：当酶促反应速率达到 Vmax 一半时对应的底物浓度。

什么是生物发光成像中的动力学曲线

         在实验体系中，针对荧光素酶活性绘制的动力学曲线有助于确定光信号达到峰值并开始趋于平稳的时间点。本质上，荧光素–荧光素酶的动力学特征可以视为一条“时间–信号强度曲线”（Yang et al., 2016）。通过分析这些数据，研究人员能够找出底物给药后最佳的成像时间窗口。

         在生物发光成像中，构建动力学曲线的过程包括在多个时间点采集信号强度读数，然后将这些数据绘制成图，以显示底物注射后发光强度随时间的变化趋势。

         尽管荧光素–荧光素酶反应属于酶促反应，但其在生物发光成像中所使用的动力学曲线与传统的 Michaelis–Menten 曲线不同。传统曲线描绘的是反应速率与底物浓度的关系，而生物发光成像的发光动力学曲线则是在纵轴上表示相对光单位（RLU），横轴则以分钟为单位表示时间。

         在某些图像采集软件中，动力学数据可能会以光强百分比随时间变化的形式显示，其中纵轴（Y 轴）表示相对强度水平。

         归根结底，生物发光成像中的动力学曲线是一种可视化参考工具，用于精准确定底物给药后光信号达到峰值并趋于稳定的时间窗口。该信息能够帮助研究人员判断最有利的成像时机，从而获得可靠且一致的实验结果。

为什么动力学曲线在生物发光成像中很重要

         影响生物发光信号动力学的变量有很多。由于每个实验都具有特定的参数——例如肿瘤位置、大小、给药方式以及所选模型——因此，确定信号峰值的确切时间点对于确保实验的准确性和可重复性至关重要。

影响生物发光信号输出的关键因素

         生物发光发射会受到多种因素的影响。下面列出了常见的影响因素。别被它们吓倒——只要系统性地应对，并且在实验条件发生变化时重新绘制动力学曲线，就能有效保持 BLI 的优化状态、重复性和整体成功率（Sim, Bibee, Wickline, & Sept, 2011；Sadikot & Blackwell, 2005）。

· 肿瘤位置 —— 例如，如果肿瘤位于脑部，光信号出现的时间可能会更长。

· 肿瘤大小

· 移植瘤所用细胞系

· 荧光素的给药方式

· 所研究的动物模型

· 所施加的治疗方法

· 组织深度

· 底物类型（包括改良版本）

· 瘢痕组织的存在

· 肿瘤的几何形态

如何为生物发光成像绘制动力学曲线

         在生物发光成像中生成动力学曲线的过程，很大程度上取决于用于数据采集的成像系统以及用于分析的配套软件。某些成像平台带有内置的序列采集程序，可在一段时间内自动捕获图像，随后可利用成像分析工具处理这些数据。

         下面是一份监测实验模型中荧光素酶活性的动力学曲线绘制指南。

1. 荧光素的给药

         通过以下途径之一注射荧光素：腹腔注射（IP）、静脉注射（IV）或皮下注射（SQ）。

• 若在注射前需要麻醉，请注意这可能会略微延迟荧光素酶活性的峰值时间。
• 荧光素的体内分布速度和模式会因给药途径的不同而有所差异。

2. 对于 IP 或 SQ 注射

• 如果动物可以在清醒状态下注射，建议注射后等待约 3 分钟，再采用所选的麻醉方法（气体或注射型）对其进行麻醉。
• 麻醉/镇痛药物及其针对大鼠和小鼠的推荐剂量可参考附录。
• 将麻醉后的动物放入成像舱，并在荧光素注射约 5 分钟后拍摄第一张图像。

3. 对于 IV 注射

• 注射后应立即对动物进行麻醉（或确保其已处于麻醉状态）。
• 可参考附录选择合适的麻醉/镇痛药物及剂量。
• 将麻醉后的动物放置在成像舱内，并在注射荧光素后 2 分钟内拍摄第一张图像。

4. 图像采集时间安排

• IP 或 SQ 注射：每隔 5–10 分钟拍摄一次，持续约 40–60 分钟。
• IV 注射：每隔 1–5 分钟拍摄一次，持续约 20–30 分钟。

注意：许多注射型麻醉剂仅维持 20–30 分钟，若要获取完整的动力学曲线，可能需要追加麻醉。

5. 确定最佳成像时间点

         根据完成的动力学曲线，确定适合你实验模型的最佳成像时间：

• IP 或 SQ 给药：峰值信号通常出现在注射后 10–20 分钟。
• IV 给药：最大活性通常出现在注射后 2–5 分钟。

参考文献

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Sadikot, R., & Blackwell, T. (2005). Bioluminescence imaging. 检索日期：2020 年 9 月 21 日，来源：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC27133...

Sim, H., Bibee, K., Wickline, S., & Sept, D. (2011, February 1). Pharmacokinetic modeling of tumor bioluminescence implicates efflux, and not influx, as the bigger hurdle in cancer drug therapy. 检索日期：2020 年 9 月 24 日，来源：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC30737...

Yang, S., Li, F., Chen, J., Zhang, G., Liao, Y., & Huang, T. (2016, April 7). Kinetic Curve Type Assessment for Classification of Breast Lesions Using Dynamic Contrast-Enhanced MR Imaging. 检索日期：2020 年 9 月 24 日，来源：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC48244...

阿拉丁：https://www.aladdin-e.com