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。其中脂肪代謝研究是一個新興的熱點領域。將活體光學成 像技術應用于脂肪代謝研究的主要方向是研究某個基因與脂肪代謝的關系及建立相關 轉基因動物模型篩選參與脂肪代謝的化合物，實現方式包括：1、在小鼠體內將熒光素 酶的基因重組到感興趣的脂肪代謝相關的基因啟動子的下游，構建轉基因小鼠，利用該 模型可完成多種脂肪代謝相關信號通路、化合物作用等研究；2、在體外載體中將熒光 素酶的基因重組到感興趣的脂肪代謝相關的基因啟動子的下游，然后利用水動力學的方 式注射到小鼠體內，載體會特異性的在肝臟表達；利用此模型同樣可進行多種肝臟脂肪 代謝相關研究；3、利用生物發光探針進行脂肪吸收的檢測；下面結合一些具體實例進 行闡述：

一. 棕色脂肪研究

ThermoMouse 是一種新的轉基因報告小鼠，可允許研究人員實時地研究活體動物中 的棕色脂肪活性。相關研究結果發表在最近一期的《Cell Reports》雜志。棕色脂肪燃燒 能量的這種能力，其關鍵是解偶聯蛋白1（UCP1），在該小鼠模型中當UCP1表達時， 熒光素酶隨之表達。因此通過生物發光檢測熒光素酶的表達，則可實時檢測UCP1的表 達，因此該模型可鑒定藥物對肥胖的治療效果。

圖1：左，利用IVIS系統生物發光成像檢測ThermoMouse轉基因小鼠UCP1表達；(A) ThermoMouse報告 鼠中生物發光3D重構信號，特定熒光素酶信號已經表明體脂類型；(B)室溫下熒光素酶定量結果：脂肪、骨 骼肌,、肝臟、脂肪定量結果已經用蛋白含量進行校準；(C) B中小鼠不同組織UCP1蛋白表達分；.(D) 28℃ 飼養條件下小鼠發光成像，隨后9C℃飼養24小時后進行生物發光成像；(E) D中小鼠定量結果(n = 9)；(F)D 中小鼠 Ucp1 mRNA 表達分析；(G)F中 UCP1 肩胛間棕色脂肪表達分析；(H) 生理鹽水或化合物CL-316， 243 處理1 天 (急性) 或者 4 天 (慢性)后生物發光成像；(I) H小鼠中UCP1 在棕色脂肪中的表達分析.(J) 生理鹽水或化合物CL-316，243 處理四天后，腹股溝白色脂肪成像；(K)小鼠腹股溝白色脂肪中UCP1蛋 白表達。Galmozzi et al., 2014, Cell Reports 9, 1584–1593

二.實時檢測脂肪酸在體內的吸收

在一些生理或者病理條件下，脂肪比如游離脂肪酸的吸收程度會發生改變，這種現 象反映了重要的代謝過程，比如饑餓、寒冷以及心臟缺氧、腸道吸收障礙等一些病理狀態會激活棕色脂肪。同樣，FFAs（游離脂肪酸）的過多吸收與骨骼肌胰島素耐受性、心 肌疾病、脂肪肝以及心臟、肝臟的脂肪毒性有關。此外，FFA/脂質流量可以被藥物干預， 例如在格列酮類抗糖尿病治療中，會增加 FFA 的吸收和在脂肪細胞的滯留。改變脂肪 酸的吸收和利用也可能是某些藥物帶來的副作用，比如抗癌藥物阿霉素，就會導致心臟 代謝的改變。因此對脂肪酸吸收的變化進行定量定位的研究不僅對生物功能學研究有重 要意義，對于疾病的診斷、治療方法評價以及藥物開發同樣意義重大。因此在此研究中 利用生物發光技術來實時檢測脂肪酸的脂質流量。研究結果表明，其設計的生物發光探 針 FFA-SS-luc 結合熒光素酶轉基因小鼠，能夠很好的評價脂肪酸的吸收，同樣建立肝 臟生物發光轉基因小鼠能夠更好的評價肝臟脂肪的代謝情況。

圖1.在體內生物發光檢測脂肪酸吸收的原理：首先小鼠為熒光素酶轉基因小鼠(FVB-luc+小鼠，熒光素酶在 actin 啟動子下表達)，FFA-SS-luc即游離脂肪酸和底物熒光素以二硫鍵相連，此生物發光探針注射小鼠 體內后，熒光素會隨著脂肪酸的吸收被轉運到細胞內部，在細胞內GSH的作用下，FFA與luc分離，隨后熒 光素與熒光素酶發生酶促反應，產生光子，產生的光子穿透動物體表后被高靈敏度的IVIS光學成像系統采 集到，生成小鼠生物發光的圖像。

圖3. FFA-SS-luc在小鼠體內腸道、肝臟、脂肪組織、腎臟、心臟、骨骼肌的吸收成像。 左側：口服給藥方式，FFA-SS-luc在FVB-luc＋小鼠小腸內的吸收(A)注射100μL FFA-SS-luc (20μM) 探針后 不同時間小鼠腹側成像；(b) 生物發光和μCT 疊加成像，注射50 μL of FFA-SS-luc (300 μM) 1 h后；(c)離體 腸道進行成像，1、2、3分別是胃部、十二指腸和結腸；(d) FFA-SS-luc(right) 和對照l FFA-S-luc (left)注射 20 min 后腹部生物發光成像。 右側：尾靜脈注射方式， (a)注射 FFA-SS-luc 5min后成像； (b) 離體臟器成像(I) 白色脂肪(WAT), (II)肝 臟(III) 腎臟, (IV) 心臟 (V)骨骼肌；(c)腹腔注射FFA-S-luc 溶液((I/IV)、FFA-SS-luc (II/V)、FFA-SS-luc 與1 mg/kg 的β-腎上腺素拮抗劑 CL316243 (III/VI)；(d)棕色脂肪對C中不同探針吸收的動力學曲線。

三.脂肪含量研究

減肥后脂肪量恢復的細胞過程具有普遍性，瘦素的 mRNA 水平與脂肪量有著密切 關系，因此瘦素的表達可以代表脂肪含量的改變。瘦素（Leptin，LP）是一種由脂肪組 織分泌的激素，人們之前普遍認為它進入血液循環后會參與糖、脂肪及能量代謝的調節， 促使機體減少攝食，增加能量釋放，抑制脂肪細胞的合成，進而使體重減輕。為了進一 步研究在不同條件下脂肪含量的變化，在此研究中建立了一種轉基因小鼠，在該小鼠體 內重組的熒光素酶基因的表達受瘦素表達調節序列的調控，因此可以利用生物發光來非 侵入實時監控瘦素的表達，從而衡量脂肪含量的變化。研究結果表明，1、該轉基因小 鼠瘦素的表達水平與熒光素酶活性高度一致，可以通過活體成像檢測熒光素酶的表達來 真實反映瘦素的表達量；2、在禁食時瘦素的表達含量降低，而喂食后升高，另外在肥 胖小鼠中，瘦素的表達異常高；3、在禁食后，重新給予喂食6h后，瘦素表達增加，但 是此時脂肪并未合成，因此提示脂-殆盡的脂肪細胞在脂肪組織的滯留，在瘦素治療實 驗中同樣驗證了這一論點。

四.載體水動力學注射后在肝臟表達的應用

利用水動力學注射方法，能讓表達載體穩定存留在肝臟一段時間并進行表達，例如 Dentin 等發表于 2007 年Nature 的一篇文獻報道了通過應用熒光素酶基因標記的cAMP 響應元件（CRE-luc），研究了控制糖異生相關基因表達的一個關鍵分子開關 TORC2/CRTC2 的作用。研究者通過水動力注射法將CRE-luc表達載體經尾靜脈注入正 常小鼠體內，該表達載體將在一定時間內穩定存留于小鼠肝臟中，使得研究者能夠借助 該表達載體觀測禁食及再進食小鼠肝臟中的糖異生情況。在禁食小鼠中，禁食會導致血 糖濃度降低，從而激活胰高血糖素（Glucagon）所調控的糖異生信號通路，因此，在肝 臟中能夠觀測到由于CRE-luc的表達激活而出現的光信號；而當小鼠再進食后，由于血 糖濃度升高，而主要激活胰島素調控的糖酵解通路，因此，肝臟中CRE-luc的表達被抑 制，光信號消失；而當用TORC2 siRNA處理禁食小鼠后，本該大量表達的CRE-luc表 達被抑制（減弱的光信號），說明TORC2在糖異生相關基因的表達調控中起重要作用。 水動力注射是非常成熟的方法，在IVIS光學成像系統國內用戶中，軍事醫學科學院詹 林盛研究員就利用水動力學模型開展了一系列圍繞肝臟疾病的研究，例如丙型肝炎、肝 臟毒物代謝等，已經成功建立了多種小鼠肝臟熒光素酶調控模型，在此類研究中有著豐