分子影像与疾病诊断简介（1）

青草

1 分子影像学基本概念介绍

1.1 分子影像学的概念

分子影像（Molecular Imaging）又称为分子成像，是指在活体状态下，应用医学影像学方法来实现显示活体内细胞、分子或者基因水平的生物学、病理学过程，还可以进一步实现疾病早期定量与定性诊断相关研究的前沿学科。医学分子影像结合检测基因或者纳米材料的分子探针，采用多模态成像方法，最终实现对体内特定的靶点进行分子水平的无创伤成像。它涉及多个学科的交叉比如分子生物学、纳米材料学、医学影像学、核医学、计算机学等学科，同时涵盖多方面内容比如肿瘤靶向成像、基因成像、受体成像、单细胞示踪以及细胞信号传导通路等尖端技术，是现在以及未来影像医学和精准医疗的重要分支。
分子影像可以将细胞功能可视化，并且在不干扰生物体代谢功能的情况下持续跟踪分子传递。分子影像技术在医疗领域具有多种多样的研究治疗潜力，其不仅可用于癌症、神经和心血管等部位疾病的早期诊断，还可以通过分子、基因水平上的手段改善这些疾病的传统治疗方法，开发新型生物标志物。
1.2 分子影像的特点

分子影像有“眼见为实”（细胞水平变化早于解剖学水平变化），无创（进行活体连续观察），结合分子影像探针和分子影像成像技术的特点，是一门多学科交叉的前沿成像技术。
传统影像主要提供解剖学方面的信息，只能显示疾病后期的形态学改变，而分子影像聚焦于疾病初始状态下的基因、分子、蛋白质等异常。故分子影像捕捉的是疾病发生、发展的本质变化。而且，分子影像是基于活体内与疾病发生、发展密切相关的标志物进行的成像，可根据标志物的特异性对疾病做出准确判断，因而利用分子影像诊断疾病更准确。
此外，分子影像还能对同一活体进行实时、动态成像，监测疾病发展过程中基因、分子、 蛋白质等发生的改变，并针对这些改变及时对疾病的治疗效果进行评估，因而利用分子影像监测疾病的发展和评价疗效比传统成像方式更加精确，及时 [1]。
1.3 分子影像与精准医学

精准医学包含了精准诊断和精准治疗，而精准诊断是精准治疗的基础。 在早期诊断方面，分子影像可以观测到早于解剖学的细胞学水平变化，有助于疾病的 早期发现。以肿瘤为例子，表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）与 肿瘤的发生、发展密切相关，也是肿瘤早期诊断的分子标志物，对 EGFR 的配体进行分子影像学标记，可实现肿瘤的早期诊断。
在疗效诊断方面，分子影像能够在治疗过程中及时有效地监测疗效，便于优化后续治疗策略。 我国近年来分子影像与精准医学发展较为迅速，相关技术已投入临床应用。2016 年，中科院分子影像重点实验室响应国家科技成果转化的号召，基于众多自主知识产权的研究成果成立了技术转移公司——DPM，负责分子影像手术导航产品及分子影像造影剂的产业化。
据 DPM 介绍，其将从精准手术切入，通过荧光分子影像手术导航设备布局精准外科，并依托分子影像造影剂打造“设备 + 耗材”闭环。同时，DPM 将凭借磁纳米粒子疾病筛查成像设备进入筛查领域，将精准外科拓展至精准健康领域。



图 1: DPM 精准医疗展望

2 成像技术

2.1 成像方式概览

目前，分子影像成像技术主要包括放射性核素显像（radionuclide imaging，RI，即核医学显像）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、超声成像（ultrasonic imaging， UI）、光学成像（optical imaging，OI）、光声成像（photoacoustic imaging，PAI）以及多种影像结合的多模态成像。
用课上吃瓜的解释，几种常见的成像方式区别在于：X 光检查给瓜拍个透视照挑瓜；CT 检查把瓜切成一片一片看瓤挑瓜；B 超检查拿手拍一拍瓜，听个回声挑瓜；磁共振检查是拿起瓜摇一摇，再观察挑瓜。
2.2 核医学成像

放射性核素显像是应用最早、最广泛的分子影像技术，也是目前临床应用最成熟的分子影像技术。放射性核素（核医学）分子影像主要包括单光子发射计算机断层显像（single photon emission computed tomography，SPECT）和正电子发射断层显像（positron emission tomography，PET）。
2.2.1 CT
准确讲，CT 成像应该被称为 X­ray­CT，在 X 光的基础上增加了“Computed Tomography （CT，计算断层成像）”。CT 的方式就是从不同角度去拍摄图像。每旋转一个角度就拍摄一 次，然后利用大量不同角度拍到的投影图，用数学算法反计算出一个断层面图像，从而可以看到每一个断面的图像。这便是计算断层成像。



图 2: CT 成像与 ECT 成像比较：左为 ECT 成像，红色越深，表明此区域的细胞活性更强；右为普通 CT 成像， 反应的是人体内部的物理结构差异，组织强度约低，对射线的吸收越低，成像图像显示为黑色，强度高则反之

2.2.2 ECT
SPECT 和 PET, 可以统称为 ECT（emission computed tomography）, 即辐射断层成像。成像原理主要依据进入人体循环系统的示踪分子，会根据不同成分在不同组织的聚集浓度的不同而呈现出人体不同组织活性强度的差异。所以，我们一般称之为功能性成像（functional imaging）。
由于 CT 图像显示的内容，只跟组织的强度有关，而与细胞的活性无关。故，癌症和普通的组织差异性不会太大。而对于癌症，早期的癌细胞不会导致组织上明显的差异，所以 CT 很难显示出来，而 ECT 则可以通过查看细胞活性的差异来进行癌症的早期诊断，故效果较好。此外，通过使用 ECT 对于心肌活性的诊断、脑组织活性的诊断，可以判断是否心肌缺血，冠心病、帕金森等疾病，所以 ECT 对于这些疾病的早期诊断会有优势。
PETCT
PET 采用符合探测技术在体外探测 18F、11C 等正电子核素经湮没辐射产生的双向光子，经计算机等进一步处理获得活体器官的断层图像，并可定量评价体内的生物学改变。
此外，PET 使用的许多正电子核素（如 18F、11C、13N、15O 等）是人体组成的固有元素，用这些核素标记生物活性分子不会改变标记分子的生物特征和功能，标记合成的分子探针更具有生理性，能更客观、更准确地显示人体的生物学信息。因此，PET 分子影像技术在分子影像学中具有极其重要的地位。
SPECT
尽管 PETCT 的空间分辨率和敏感度均高于 SPECT，总体成像质量要高于 SPECT。然而，由于目前常用的 PET 示踪剂只有 F 18 − F DG，局限了其在不同领域的应用。而对于SPECT，示踪剂的选取有很多，所以对于不同疾病、不同区域的诊断时，可通过选取不同的特定药物，来达到效果的最佳[2]。
2.3 光声成像

PAI 是近年来迅速发展的新型分子影像技术，它结合了 UI 的高空间分辨率和 OI 的高对比度，可获得反映组织功能和分子信息的高特异性影像。PAI 既可依赖组织固有对比（如黑色素、脂肪、血红蛋白等内源性生色团）进行成像，也可利用靶向对比剂增强成像效果。与 UI 相比，PAI 可区分声阻抗相同但光吸收不同的靶标进行功能成像; 与 OI 相比，PAI 探测的超声信号组织散射较少，可穿透更深的组织。但是，PAI 目前仍主要应用于基础实验研究，与 SPECT、PET、MRI 等相比，PAI 不便进行全身成像及深部组织成像，相应的成像理论、扫描条件、数据处理等还需进一步完善和发展 [3][4]。
PAI 过程中，超声波频率越高，空间分辨率越高，但组织衰减越大，穿透深度也越浅，反之亦然。根据激发光源和超声信号检测频率的不同，光声成像可以分为光声显微技术(photoacoustic microscopy , PAM) 和光声断层扫描 (photoacoustic tomography , PAT)，两者的应用范围和目标有所不同。目前，国内外以光声成像为基础，使用无标记光声成像方法反映不同生理病理状态，借助分子探针的有标记光声成像方法对肿瘤等多种疾病进行精准诊 断，已取得了一定的成果，推动了光声成像的临床转化。
以心血管系统为例，血红蛋白作为机体在近红外区域主要的内源性光吸收物质，为血管光声成像提供了较强的内源性对比度，使 PAI 用于心血管方面的研究具有独特优势，可以高分辨率地展现血管形态和绘制血管网络，在检测心血管相关疾病方面具有广阔的应用前景。研究[5]表明 PAI 能够进行心肌梗死（MI）诊断和损伤定位，同时具有深部器官成像和病变区域区分的能力。
3 分子探针

3.1 组成结构

分子探针是指能够与特定生物分子（如蛋白、核素）靶向特异性结合，并提供体内外影像学信息的物质。通过分子影像探针与靶分子的结合，借助分子成像系统即可检测到影像信号，从而反映靶分子的表达水平或功能。
一般的分子探针由靶向基团，识别基因和连接基团三部分构成:



图 3: 分子探针的基本组成部分

• 靶向基团是指与靶点特异性结合的部分，包括核酸、抗体、多肽、小分子化合物等。
• 识别基团是指能够产生影像信号并能够被特定成像设备探测的部分。
• 为了连接识别基团和靶向基团，通常使用高分子、树状大分子、纳米材料等作为连接基团，通过放射化学、生物技术和化学技术结合以构建分子影像探针。连接基团的长度、软硬度、亲水性及电荷等均会对探针的性能产生影响。
3.2 放射性核素

尽管核素显像剂能够在皮摩浓度水平被检测到，但是它们的成像特异性有待提升。开发能够与特定疾病分子标志物具有高亲和能力的核医学显像探针是一项具有挑战性的工作。放射性核素的特点及其较好的生物分布使其适宜用于受体成像。在 PET 研究中，设计靶向性探针最直接的路线是用 18F 或 11C 标记小的内源性分子，如雌激素受体的配体18F­雌二醇（18F­FES）和 18F­酪氨酸。尽管大多数的工作都是使用轻质元素，但是正电子金属核素例如 89Zr、64Cu 和 68Ga 同样非常具有前途，目前制约其应用的是能否有化学合成方法可以让金属核素顺利标记内源性小分子。
3.2.1 糖代谢显像
糖代谢显像是利用病变和正常组织对葡萄糖代谢能力不同而进行显像的方法。将标记成像媒介的葡萄糖带入到细胞内（通过葡萄糖转运蛋白 Glut1 和 Glut2），在己糖激酶的作用下被磷酸化为“成像媒介标记的 6­磷酸葡萄糖”，不能被进一步代谢是其区别于正常的6-­磷酸葡萄糖的特点。它会被滞留在细胞内，为显像提供了信号富集基础。细胞对葡萄糖的摄取量与其代谢率成正比，故体内葡萄糖代谢率越高的器官组织，成像媒介标记的葡萄糖就越多，分子影像学信号就越强。
目前临床上应用最广的糖代谢示踪剂是 18F­氟代脱氧葡萄糖（18F − FDG），是一种2-­脱氧葡萄糖的氟代衍生物。其结构与葡萄糖仅略有差异（2­位碳原子上的羟基被 18F 取代），在体内的生物学行为也与葡萄糖非常相似。经静脉注射后，18F − FDG 通过与葡萄糖相同的摄取转运途径进入细胞，在己糖激酶的作用下被磷酸化形成 6­磷酸­ 18F − FDG（6 − P −18 F − FDG），是优秀的分子影像探针。
3.2.2 氨基酸代谢显像
虽然葡萄糖代谢显像已经显示出了强大的影像可视化病变组织的能力，但是在颅内肿瘤、炎症/癌症鉴别诊断等领域仍然有不少局限性。由此，用放射性媒介标记的氨基酸进行蛋白质代谢显像应运而生，并在近些年取得了快速发展。利用 11C 来取代氨基酸分子中的碳原子并不会改变氨基酸的化学性质，这表明理论上所有的氨基酸都可进行放射性标记， 并用于分子影像[6]。
当前临床研究主要集中在 11C­蛋氨酸 (L − ( 11C) − methionine) 上。11C − MET 不仅能反映氨基酸在体内的运转，而且能反映氨基酸在肿瘤内代谢及蛋白质的合成情况。由于其合成方便快捷, 放射性化学纯度高，且无须复杂的纯化步骤，使得 11C − MET 成为目前应用最为广泛的放射性标记氨基酸。



图 4: (a) 为 18F − FDG, (b) 为 11C − MET

3.3 拉曼探针
拉曼探针是指成像过程中检测信号是拉曼散射的一类探针。其物理学原理并不复杂， 当一束光照射到物质表面时会发生两种类型的散射: 性散射和非弹性散射。这两种散射类型中，弹性散射光的波长与激发光相同，而非弹性散射光的光谱则含有波长比激发光长和短的两个峰，拉曼光谱就是这样一种非弹性散射光谱 [9]。拉曼成像技术是快速、高精度、适宜面扫描的分子影像方法，它将共聚焦显微镜技术与激光拉曼光谱技术完美结合。这种基于物质内部拉曼散射信号而建立的影像方法，可以为研究者提供丰富的分子结构信息和表面信息，已经成为表界面研究的有力工具。
3.4 诊疗一体化探针

随着纳米材料作为药物的载体被批准应用于临床，给癌症的治疗注入了新的希望。目前，已有多种纳米载药系统被批准应用于临床。我们希望新型的多功能纳米探针能够整合药物靶向运输、药物治疗、双模态分子成像和疗效监测等功能于一体，既可以用于肿瘤的成像，同时又能实现图像引导下的癌症治疗和疗效的监测。
然而已有的诊疗一体化荧光探针往往存在光稳定性差、组织穿透能力有限、时空分辨率低和活体诊断图像信噪比低等方面的缺点，无法满足临床需求。
华中师范大学孙耀团队[7]设计合成了一种组织穿透能力强的新型近红外二区荧光分子 SY1100（发射波长为 1100nm），同时还设计合成了一种具有显著抗肿瘤活性和高度体内稳定性的大环铂化合物，进而采用基于 DSPE­mPEG5000 的脂质体包覆技术，制备得到了首例基于大环 Pt 结构的近红外二区诊疗一体化纳米探针。实验表明，该纳米探针具有良好的光稳定性、被动靶向能力和高分辨率，不仅可以实现癌症的精准诊断，而且可以选择性地在肿瘤组织释放出抗肿瘤活性的大环铂化合物，从而实现肿瘤的诊疗一体化。进一步活体动物实验证实，该探针不仅克服了 ICG 光稳定差和组织穿透能力低的缺点，而且比临床广泛应用的顺铂药物具有更高的抗肿瘤效果和更低的毒副作用。此外，由于该纳米探针具有高度的体内稳定性，借助近红外二区荧光成像技术，该探针还可以对肿瘤发生发展进行长期监测，并评估抗肿瘤药物的治疗效果。



图 5: 纳米载体药物的摄取

<hr/>本篇偏概念的介绍，后面有空会更1-2篇实例的应用
参考

• ^李恩中，曹河折，董尔丹. 分子影像国际、国内研究进展 [J]. 中华放射学杂志，2012， 46(2): 178­182.
  
• ^刘昭飞, 杨志, 王凡. 精准医学时代的 SPECT 显像探针：挑战与机遇 [J] . 中华核医学与 分子影像杂志,2017,37 (1): 2­4
  
• ^Huang S S,et al. Recent progresses of photoacoustic imaging in biomedical applications[J]. Xia men Univ Nat Sci,2019,58(5):625­636.
  
• ^https://www.recendt.at/en/PA.html
  
• ^Lv J, Peng Y, Li S, et al. Hemispherical photoacoustic imaging of myocardial infarction: in vivo detection and monitoring. Eur Radiol. 2018;28(5):2176­2183.
  
• ^陈立光, 唐安戊, 王淑侠, 等. 11C­蛋氨酸的体内生物学分布和初步临床应用 [J]. 现代临 床医学生物工程学杂志,2005(5):399­401.
  
• ^Sun, Y., Ding, F., Zhou, Z., Li, C., Pu, M., Xu, Y., ... Stang, P. J. (2019). Rhomboidal Pt (II) metallacycle­based NIR­II theranostic nanoprobe for tumor diagnosis and image­guided therapy. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(6), 1968­1973.
  

原文地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/539881411