小動(dòng)物分子影像儀器的培訓(xùn)方法與平臺(tái)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(bǔ)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究快速向臨床轉(zhuǎn)化，小動(dòng)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(yùn)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(duì)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(dú)特技術(shù)特點(diǎn)，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(shí)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(jiǎn)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(dòng)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(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)(顯微CT)、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)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(tái)簡(jiǎn)介

共享儀器平臺(tái)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，創(chuàng)建于1998年。聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)”為實(shí)驗(yàn)室設(shè)置的4個(gè)主要研究方向之一。為滿足科研需求，目前實(shí)驗(yàn)室已購置3臺(tái)小動(dòng)物分子影像類儀器。

共享儀器平臺(tái)目前擁有總價(jià)值超過6 000萬元的光譜、色譜、質(zhì)譜、顯微觀測(cè)和物性等分析測(cè)試儀器以及高分子材料加工及性能測(cè)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(tái)極為重要的一類儀器。平臺(tái)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(gè)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(tái)技術(shù)人員在十幾年的工作中積累了豐富的管理經(jīng)驗(yàn)，為加強(qiáng)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(cè)試收費(fèi)等環(huán)節(jié)，從而保障大型精密儀器的共享開放。

2.2 小動(dòng)物分子影像儀器介紹

共享儀器平臺(tái)目前共有3臺(tái)小動(dòng)物分子影像儀器。其中，小動(dòng)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(hào)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(dòng)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(hào)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(cè)量等功能。小動(dòng)物X射線計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng) (High resolution in Vivo Micro-CT imaging system)由Bruker公司生產(chǎn)，型號(hào)為SkyScan 1176。于2014年2月安裝并投入使用。3臺(tái)小動(dòng)物分子影像儀器自開放運(yùn)行以來一直運(yùn)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(tái)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(tái)一貫的運(yùn)行原則，即聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)測(cè)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(duì)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(gè)培訓(xùn)過程中需要特殊對(duì)待。

3.1 培訓(xùn)的基本內(nèi)容

由于共享儀器平臺(tái)共有3臺(tái)小動(dòng)物分子影像儀器，但是3臺(tái)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(duì)1臺(tái)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(tái)儀器的理論講解以及操作講解過程中穿插介紹其余2臺(tái)儀器的內(nèi)容，以便于各學(xué)員可以更好了解各臺(tái)儀器的性能，從而更加高效設(shè)計(jì)和安排各自的科研計(jì)劃。3臺(tái)小動(dòng)物分子影像儀器成像原理不同，成像優(yōu)勢(shì)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(shí)，對(duì)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(shí)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(jí)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(shí)，要著重注意結(jié)合應(yīng)用技術(shù)的實(shí)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(cè)、靶向檢測(cè)，以及如何通過熒光與生物發(fā)光相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)腫瘤生長(zhǎng)，增值及調(diào)亡等的研究[9-10]。

對(duì)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(shí)，還要讓學(xué)生快速了解光聲成像是如何實(shí)現(xiàn)藥物動(dòng)力學(xué)與生物分布的研究，血氧分布與濃度的研究，光動(dòng)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)，合理利用儀器完成科研任務(wù)。

對(duì)于CT成像儀器，在講授其基本操作方法時(shí)，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(duì)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(duì)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(shí)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(shì)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(bǔ)充，在今后的研究中合理選擇研究手段、儀器操作實(shí)驗(yàn)中多加注意實(shí)驗(yàn)方法。

3.2 培訓(xùn)的方式方法

3臺(tái)小動(dòng)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(jī)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(zhǎng)儀器的使用壽命[14]。儀器的培訓(xùn)共包括下面5個(gè)部分：

(1) 培訓(xùn)前考察。此過程主要考察學(xué)員對(duì)于小動(dòng)物分子影像儀器的熟悉程度。但由于共享儀器平臺(tái)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(shí)相對(duì)薄弱，且對(duì)小動(dòng)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(gè)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(duì)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(xiàng)和實(shí)驗(yàn)室的安全注意事項(xiàng)講解，其中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的安全注意事項(xiàng)要在培訓(xùn)過程中進(jìn)行重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)[15]。但基于培訓(xùn)學(xué)員大多來自高分子科學(xué)系，對(duì)生物醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)比較薄弱，因此在培訓(xùn)過程中需要加強(qiáng)部分生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)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(huì)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(jī)操作，一般2人/組，1.5 h/人。期間2個(gè)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(dú)上機(jī)操作，一般1.5 h/人。經(jīng)過前面的培訓(xùn)內(nèi)容，此時(shí)培訓(xùn)學(xué)員基本可以獨(dú)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(shí)驗(yàn)樣品情況有針對(duì)性地講述一些參數(shù)的優(yōu)化技巧等。

(4) 考核?？己藘?nèi)容分為理論知識(shí)考核和上機(jī)操作考核兩部分來進(jìn)行。

(5) 實(shí)習(xí)?？己送ㄟ^后總的實(shí)習(xí)期為1個(gè)月，要求培訓(xùn)學(xué)員必須將實(shí)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(shí)、儀器的操作技巧、儀器使用中的注意事項(xiàng)，以及實(shí)驗(yàn)室的安全注意事項(xiàng)等等，這為儀器的日常管理和維護(hù)提供了強(qiáng)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(gè)月仍必須有一次有效上機(jī)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(shí)現(xiàn)各臺(tái)小動(dòng)物分子影像儀器在重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)科技創(chuàng)新能力，小動(dòng)物分子影像儀器同共享儀器平臺(tái)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(huì)開放，也可由非關(guān)聯(lián)單位、個(gè)人用于科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)。目前，3臺(tái)儀器均開放至少15%的時(shí)間面向社會(huì)提供分析測(cè)試研究和檢測(cè)等技術(shù)服務(wù)。如此，在為社會(huì)提供服務(wù)的同時(shí)，儀器管理人員也可以接觸到更多種類的試驗(yàn)樣品，豐富并積累教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，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(qiáng)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(yùn)轉(zhuǎn)和低故障率。二者的有力結(jié)合將成為小動(dòng)物分子影像儀器的有效使用，乃至基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究快速向臨床轉(zhuǎn)化的基本保障。