小動物分子影像儀器的培訓(xùn)方法與平臺管理

潘曉霞, 屈澤華, 卜 娟, 黃紅香

(復(fù)旦大學(xué) 聚合物分子工程國家重點實驗室; 高分子科學(xué)系, 上海 200438)

0 引 言

轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)一直致力于彌補基礎(chǔ)實驗研究與臨床和公共衛(wèi)生應(yīng)用之間的鴻溝[1]。分子影像則是轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中的重要手段。為了促使轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)順利進(jìn)行，基礎(chǔ)實驗研究快速向臨床轉(zhuǎn)化，小動物分子影像儀器的合理而高效使用則必然成為其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

1 分子影像技術(shù)及轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)

分子影像(Molecular Imaging, MI)是運用影像學(xué)手段顯示組織水平、細(xì)胞和亞細(xì)胞水平的特定分子，反映活體狀態(tài)下分子水平變化，對其生物學(xué)行為在影像方面進(jìn)行定性和定量研究的科學(xué)。分子影像技術(shù)由于具有其獨特技術(shù)特點，已成為基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化到臨床醫(yī)學(xué)的橋梁和當(dāng)今轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)實現(xiàn)最關(guān)鍵載體[2-4]。

轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)(Translational Medicine，TM)是美國國立衛(wèi)生院(National Institutes of Health, NIH)在2003年提出的健康領(lǐng)域的新概念，并將其簡化定義為“從基礎(chǔ)研究的發(fā)現(xiàn)到改善患者的健康狀況的全過程”。轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究的目的就在于加速將基礎(chǔ)研究的成果向臨床醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)化。

目前常用的小動物分子影像技術(shù)有光學(xué)成像技術(shù)、光聲和超聲成像技術(shù)、磁共振成像技術(shù)、高分辨率X線顯微計算機斷層成像技術(shù)(顯微CT)、單光子發(fā)射計算機斷層成像技術(shù)(SPECT)和正電子發(fā)射斷層成像技術(shù)(PET)等[5]。

2 儀器介紹

2.1 共享儀器平臺簡介

共享儀器平臺依托于復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系暨聚合物分子工程國家重點實驗室，創(chuàng)建于1998年。聚合物分子工程國家重點實驗室以“國家重大需求和學(xué)科前沿導(dǎo)向的基礎(chǔ)研究”為總體定位，“生物醫(yī)用高分子的設(shè)計”為實驗室設(shè)置的4個主要研究方向之一。為滿足科研需求，目前實驗室已購置3臺小動物分子影像類儀器。

共享儀器平臺目前擁有總價值超過6 000萬元的光譜、色譜、質(zhì)譜、顯微觀測和物性等分析測試儀器以及高分子材料加工及性能測試設(shè)備，其中生物類儀器超過1 000萬元，生物類儀器已成為平臺極為重要的一類儀器。平臺所有儀器設(shè)備采取“集中管理、共享開放、有償使用”的管理模式，凡是重點實驗室的師生均可參加操作培訓(xùn)，取得相應(yīng)操作資格后即可自行網(wǎng)上預(yù)約使用儀器。一個良性有序、有據(jù)可依的管理環(huán)境是儀器開放共享的必備基礎(chǔ)[6]。共享儀器平臺技術(shù)人員在十幾年的工作中積累了豐富的管理經(jīng)驗，為加強大型儀器的共享開放，陸續(xù)制定了系列規(guī)章制度，用以規(guī)范儀器預(yù)約、使用、故障處理、測試收費等環(huán)節(jié)，從而保障大型精密儀器的共享開放。

2.2 小動物分子影像儀器介紹

共享儀器平臺目前共有3臺小動物分子影像儀器。其中，小動物多角度光學(xué)活體成像系統(tǒng)(Optical and X-ray small animal imaging system)由Bruker公司生產(chǎn)，型號為In Vivo Xtreme。于2013年10月安裝并投入使用。儀器配置了多種成像模式，包括熒光成像、生物發(fā)光成像、X光成像、白光成像等。多模式小動物光聲/超聲成像系統(tǒng)(High resolution pre- clinical photoacoustic imaging system)由FujiFilm VisualSonics公司生產(chǎn)，型號為Vevo LAZR。于2016年10月安裝并投入使用。具備連續(xù)多光譜光聲掃描、血氧飽和度、超聲造影、三維測量等功能。小動物X射線計算機斷層成像系統(tǒng) (High resolution in Vivo Micro-CT imaging system)由Bruker公司生產(chǎn)，型號為SkyScan 1176。于2014年2月安裝并投入使用。3臺小動物分子影像儀器自開放運行以來一直運行良好，沒有出現(xiàn)過大型事故，儀器的故障率也非常低，年均低于5%。

3 儀器的培訓(xùn)

共享儀器平臺依托于復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系和聚合物分子工程國家重點實驗室，這也決定了生物類儀器的培訓(xùn)同其他儀器的培訓(xùn)有一定的共同性和不同性。共同性在于生物類儀器將遵從共享儀器平臺一貫的運行原則，即聚合物分子工程國家重點實驗室?guī)熒蓞⒓硬僮髋嘤?xùn)，取得相應(yīng)操作證后即可自行網(wǎng)上預(yù)約儀器上機測試[7-8]。不同的地方是，大部分培訓(xùn)學(xué)員來自非生物專業(yè)方向，對上述儀器的接觸比較少，部分學(xué)員甚至是從未接觸過該類儀器，因此在整個培訓(xùn)過程中需要特殊對待。

3.1 培訓(xùn)的基本內(nèi)容

由于共享儀器平臺共有3臺小動物分子影像儀器，但是3臺儀器的操作均較為復(fù)雜，不可能在同一期培訓(xùn)中全部完成，每期培訓(xùn)只能針對1臺儀器。但為了更好地讓培訓(xùn)學(xué)員了解各儀器的性能和應(yīng)用范圍，培訓(xùn)教員將在其中1臺儀器的理論講解以及操作講解過程中穿插介紹其余2臺儀器的內(nèi)容，以便于各學(xué)員可以更好了解各臺儀器的性能，從而更加高效設(shè)計和安排各自的科研計劃。3臺小動物分子影像儀器成像原理不同，成像優(yōu)勢也各有不同，因此在培訓(xùn)過程中，一定要將其逐一介紹清楚。

在介紹光學(xué)活體成像技術(shù)時，對其包含的各種成像技術(shù)需逐一介紹，比如講解生物發(fā)光，首先介紹生物發(fā)光的概念、原理，同時需要聯(lián)系生物發(fā)光與熒光成像的技術(shù)差別，以及2種技術(shù)的靈敏度級別，兩者在應(yīng)用上的區(qū)別，各技術(shù)分別受哪些因素影響和制約等等進(jìn)行全面講解。講解各種活體成像技術(shù)時，要著重注意結(jié)合應(yīng)用技術(shù)的實例進(jìn)行解釋、分析，使學(xué)生快速掌握活體成像的多樣化的標(biāo)記手段，如何廣泛應(yīng)用于各種藥物的標(biāo)記、藥理藥效的分析和監(jiān)測、靶向檢測，以及如何通過熒光與生物發(fā)光相結(jié)合來實現(xiàn)腫瘤生長，增值及調(diào)亡等的研究[9-10]。

對于光聲成像內(nèi)容的講解，不僅要讓學(xué)生了解光聲成像的基本概念和原理知識，還要讓學(xué)生快速了解光聲成像是如何實現(xiàn)藥物動力學(xué)與生物分布的研究，血氧分布與濃度的研究，光動力治療和光熱材料治療的研究等[11-13]，使學(xué)生快速掌握光聲成像獨特的優(yōu)勢，合理利用儀器完成科研任務(wù)。

對于CT成像儀器，在講授其基本操作方法時，不僅要教授學(xué)生其成像的方法與原理，還要教授學(xué)生如何利用圖片對生物體內(nèi)的骨骼，脂肪，肌肉組織等進(jìn)行成像和形態(tài)學(xué)分析，以及對于密度沒有差異的組織，如何借助造影劑進(jìn)行造影和成像。舉例說明CT成像技術(shù)如何實現(xiàn)組織形態(tài)學(xué)、骨科/炎癥、呼吸道/肺部疾病，心血管疾病、脂肪代謝、生物和藥物材料/載體等領(lǐng)域的研究，以及CT的優(yōu)勢與局限性等內(nèi)容[5]。

通過上述的講解，基本可以讓參加培訓(xùn)的學(xué)員了解到不同成像模態(tài)之間由于其原理不同在應(yīng)用上并不能完全的互相代替，但可以互為補充，在今后的研究中合理選擇研究手段、儀器操作實驗中多加注意實驗方法。

3.2 培訓(xùn)的方式方法

3臺小動物分子影像儀器均較為貴重，因此采用操作培訓(xùn)、考核上機的方式方法進(jìn)行培訓(xùn)，進(jìn)而有效提高儀器的使用水平和延長儀器的使用壽命[14]。儀器的培訓(xùn)共包括下面5個部分：

(1) 培訓(xùn)前考察。此過程主要考察學(xué)員對于小動物分子影像儀器的熟悉程度。但由于共享儀器平臺依附于高分子科學(xué)系，因此部分學(xué)員的生物醫(yī)學(xué)知識相對薄弱，且對小動物分子影像儀器較為陌生。經(jīng)過初步的考察，則可以更好地了解每個參加培訓(xùn)的學(xué)員的生物基礎(chǔ)程度，在儀器培訓(xùn)期間可以更好地有針對性進(jìn)行講解。

(2) 理論講解。理論講解內(nèi)容包括儀器原理、構(gòu)造、以及應(yīng)用案例和參考文獻(xiàn)等，采用PPT的形式進(jìn)行講解。

(3) 儀器操作。儀器操作可以拆分為3步走。① 儀器操作過程示范。包括演示儀器全部的操作步驟，以及儀器操作的安全注意事項和實驗室的安全注意事項講解，其中生物學(xué)實驗室的安全注意事項要在培訓(xùn)過程中進(jìn)行重點強調(diào)[15]。但基于培訓(xùn)學(xué)員大多來自高分子科學(xué)系，對生物醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)知識比較薄弱，因此在培訓(xùn)過程中需要加強部分生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)知識的講解。例如，可以通過介紹外科手術(shù)中的無菌操作規(guī)范，迅速讓零基礎(chǔ)的學(xué)員領(lǐng)會無菌操作的意義和要領(lǐng)等。② 在培訓(xùn)教員的指導(dǎo)下，培訓(xùn)學(xué)員自行上機操作，一般2人/組，1.5 h/人。期間2個培訓(xùn)學(xué)員可以相互討論共同完成儀器操作。③ 培訓(xùn)學(xué)員進(jìn)行單獨上機操作，一般1.5 h/人。經(jīng)過前面的培訓(xùn)內(nèi)容，此時培訓(xùn)學(xué)員基本可以獨立完成儀器的操作，培訓(xùn)教員則可以根據(jù)每位學(xué)員的實驗樣品情況有針對性地講述一些參數(shù)的優(yōu)化技巧等。

(4) 考核。考核內(nèi)容分為理論知識考核和上機操作考核兩部分來進(jìn)行。

(5) 實習(xí)?？己送ㄟ^后總的實習(xí)期為1個月，要求培訓(xùn)學(xué)員必須將實習(xí)安排在不同的3周內(nèi)至少完成3次練習(xí)，以達(dá)到鞏固記憶的效果。

通過以上的培訓(xùn)，學(xué)員培訓(xùn)合格后則可獲得相應(yīng)儀器的操作資格。

4 儀器管理

經(jīng)過規(guī)范而嚴(yán)格的培訓(xùn)后，學(xué)員們可以牢固掌握儀器的理論知識、儀器的操作技巧、儀器使用中的注意事項，以及實驗室的安全注意事項等等，這為儀器的日常管理和維護(hù)提供了強有力的技術(shù)支持和保障。此外，學(xué)員在培訓(xùn)合格獲取操作資格后，每3個月仍必須有一次有效上機操作儀器的記錄，否則將被吊銷操作資格。這樣可避免培訓(xùn)學(xué)員由于操作儀器生疏、操作不當(dāng)而損壞儀器。進(jìn)而，則可實現(xiàn)各臺小動物分子影像儀器在重點實驗室內(nèi)的安全而高效的共享使用。

此外，為促進(jìn)大型科學(xué)儀器設(shè)施的共享，提高其利用率，增強科技創(chuàng)新能力，小動物分子影像儀器同共享儀器平臺上其他儀器一樣加入了上海市及國家大型儀器共享服務(wù)網(wǎng)，面向社會開放，也可由非關(guān)聯(lián)單位、個人用于科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)。目前，3臺儀器均開放至少15%的時間面向社會提供分析測試研究和檢測等技術(shù)服務(wù)。如此，在為社會提供服務(wù)的同時，儀器管理人員也可以接觸到更多種類的試驗樣品，豐富并積累教學(xué)經(jīng)驗，達(dá)到事半功倍的效果。

5 結(jié) 語

規(guī)范而高效的儀器培訓(xùn)可以為儀器的合理而高效的使用提供強有力的支持和保障，規(guī)范的儀器管理則可保障儀器的高效運轉(zhuǎn)和低故障率。二者的有力結(jié)合將成為小動物分子影像儀器的有效使用，乃至基礎(chǔ)實驗研究快速向臨床轉(zhuǎn)化的基本保障。