什么是生物光學標記？

更新時間：2023-09-15 點擊次數：1335

生物光學標記是指用具有光學特性的標記物對生物分子進行標記，從而達到檢測和識別的目的。根據應用光學特性的不同，通常可分為熒光分子標記、熒光蛋白標記、生物發光標記、化學發光標記等。根據標記目的，包括生物分子標記、生化標記、細胞學標記、形態標記等。

生命分子的探測、生命過程的觀察、特定生物組織的識別通常因其微觀性和隱蔽性而難以直接觀察，甚至超出儀器的檢測范圍。它可以“脫穎而出"并借助相應儀器進行檢測。

對目前檢測方法可以檢測到的特定生物分子、細胞或組織進行標記并檢測分子和納米顆粒，然后通過檢測分子/顆粒的數量和分布來獲取特定分子、細胞或組織的特征，進而獲得某些區域以及細胞或生物體內分子、生化、生理指標的反應和信號。這種標記過程通常稱為生物標記。生物光學標記是指用具有光學特性的標記物對生物分子進行標記，從而達到檢測和識別的目的。根據應用光學特性的不同，通常可分為熒光分子標記、熒光蛋白標記、生物發光標記、化學發光標記、根據標記目的，包括生物分子標記、生化標記、細胞學標記、形態學標記等。

生物光學標記物，由于采用光學方法，借助成熟的光學高靈敏度檢測儀器，可以實現高對比度、高分辨率、高靈敏度、高信噪比，方便快捷地進行檢測。選擇作為主要生物標志物方式。特別是熒光蛋白發現后，生物光學標記得到了快速的應用發展。 Osamu Shimomura、Martin Charfie 和 Roger Tsien 因其對綠色熒光蛋白的發現和研究而獲得 2008 年諾貝爾化學獎。生物光學標簽現在廣泛用作生命科學和醫學研究中的示蹤劑。

生物光學標記研究和應用的歷史
在生物研究中，科學家經常使用發出熒光的熒光分子作為生物標記。通過將這種熒光分子化學連接到其他不可見的分子上，以前不可見的部分變得可見。生物學家一直在使用這種標記方法將原本透明的細胞或細胞器“拉"出暗顯微鏡視野。

傳統熒光分子發光時會產生有毒的氧自由基，導致觀察到的細胞死亡，這就是“光毒性"。因此，在綠色熒光蛋白發現之前，科學家只能通過熒光標記的方式進行研究。死細胞的靜態結構，或者其毒性作用不得不暫時忽略，而活細胞只能觀察很短的時間，而熒光蛋白的光毒性很弱，非常適合標記各種活細胞。

1962 年，這種熒光蛋白在一種名為維多利亞多管發光水母的水母中被發現。其基因產生的蛋白質在受到藍色波長光激發時會發出綠色熒光。發光過程還需要發光蛋白水母發光蛋白的幫助，而這種蛋白還需要與鈣離子（Ca）相互作用。

GFP 的光毒性非常弱，非常適合標記活細胞。然而，從綠色熒光蛋白被發現到用于標記生物樣品，卻花了20多年的時間。 1993年，Martin Schalfi通過基因重組成功使水母以外的其他生物（如大腸桿菌等）產生綠色熒光蛋白。他不僅證實了綠色熒光蛋白與生物體的相容性，而且建立了利用綠色熒光蛋白研究基因表達的基本方法，而現代許多重大疾病都與基因表達異常有關。

后來，美籍華人錢永健系統地研究了綠色熒光蛋白的工作原理，并對其進行了大刀闊斧的化學改造，不僅大大增強了其發光效率，而且開發出了紅色、藍色、黃色熒光蛋白。，使熒光蛋白真正成為生物學家根據需要進行選擇的工具箱。生物實驗室常用的熒光蛋白大多是錢永健修飾的變體。

有了這些熒光蛋白，利用光學儀器，科學家們似乎在細胞中安裝了“燈塔"，讓它們能夠實時監測各種生命過程。通過沙爾菲的基因克隆思想，科學家迄今已培育出熒光小鼠和熒光豬。
此外，除了上述熒光分子和熒光蛋白標記外，2000年以來，隨著生物納米技術的發展，一些新型的、生物相容性的光學納米標記也得到了研究和開發，如上轉換納米粒子、量子點等。、長延時熒光粒子等都已被研究和利用。它被用作細胞和活體的生物標記，作為生物光學成像“傳感"的有力的工具。

生物光學標記的類型和應用
熒光分子/納米顆粒標記
熒光分子包括有機試劑或金屬螯合物；熒光納米粒子包括上轉換、量子點等，在紫外-可見-近紅外區域具有較強的特征熒光。用這種分子/納米顆粒標記細胞和活體后，可以實現光學示蹤檢測，或者激發和發射波長、強度、壽命和偏振等熒光特性可以隨著極性、折射率等環境特性的變化而敏感地改變、粘度和生物檢測可以利用這一特性進行。熒光分子/納米顆粒標記設計靈活，應用方便。

生物發光標記
生物發光標記是利用熒光素酶（Luciferase）基因來標記細胞或DNA的生物標記方法。標記后，細胞合成熒光素酶，然后添加外源熒光素酶。下面，熒光素氧化后發光。該方法使研究人員能夠直接監測生物體中的細胞活動和基因行為。通過該系統，可以觀察活體動物中腫瘤生長和轉移、傳染病的發展以及特定基因的表達等生物過程。由于其操作極其簡單、結果直觀、靈敏度高，已廣泛應用于生命科學、醫學研究和藥物開發。

熒光蛋白標記熒光蛋白
后將基因片段與目的基因連接，轉染細胞，正常表達后，可在激發光下用熒光顯微鏡、流式細胞儀或激光共聚焦顯微鏡觀察檢測。熒光蛋白包括綠色熒光蛋白(GFP)、紅色熒光蛋白(RFP)、藍色熒光蛋白(BFP)和黃色熒光蛋白(YFP)。它對活細胞無害，并且可以長時間觀察。因此被廣泛應用于轉基因動物、融合標記、基因治療、活細胞中蛋白質功能定位和遷移變化、病原菌侵入活細胞的分子過程等研究。熒光蛋白作為新一代基因轉移報告基因和/或定位標記在生命科學研究中受到越來越多的關注

化學發光標記
將可發光的化合物附著到待檢測分子（蛋白質、核酸等）上的方法。也可以連接半抗原（如生物素等），然后與酶標抗半抗原抗體或親和素結合，與半抗原上的酶標抗體或親和素結合。可以催化化學發光底物發生化學變化而發光。例如，抗體分子用吖啶酯標記，被觸發器激活后發光，用于檢測固相抗原。