多模態分子影像的研究進展

柳梅，冷德文，范學朋

武漢市第一醫院重癥監護室，湖北武漢 430022； *通訊作者 范學朋 66799073@qq.com

分子影像學是運用影像學方法顯示組織水平、細胞水平和亞細胞水平的特定分子，反映活體狀態下分子水平的變化，對其生物學行為在影像方面進行定性和定量研究。分子影像是一個新興的跨學科領域，融合了分子生物學、物理學、化學、放射醫學、核醫學、計算機醫學等多個學科，其主要成像方法包括5類[1]：①光學成像：包括生物發光成像、熒光成像（fluorescence imaging，FI）、光聲成像（photoacoustic imaging，PAI）和光學層析成像；②放射性核素成像：包括單光子發射型計算機斷層成像（SPECT）和正電子發射型計算機斷層顯像（PET）；③CT；④MRI；⑤超聲（US）。單一的顯像方法往往存在局限性，難以同時滿足對靈敏度、特異性、靶向性等的要求。多模態分子影像中的分子探針能同時進行多種方式的顯像，克服了單一顯像方式的不足，實現了優勢互補，拓寬了分子影像技術的應用范圍。多模態分子顯像分為直接顯像和間接顯像，均需構建相應的分子探針。直接顯像指標記探針直接與目標靶特異性結合達到顯像的目的，直接顯像的多模態探針需要針對一個目標靶向蛋白連接不同的顯像功能基團，此方法需要對每一個靶構建相應的探針，且受到偶聯位點數目的限制。間接顯像指通過報告探針對報告基因表達產物進行特異性的捕獲而顯像。本文擬對多模態分子影像的最新研究進展進行綜述。

1 多模態分子探針的構建

1.1 PET/光學成像雙模態探針 常用的PET/光學成像探針有基于64Cu-量子點、基于86Y-近紅外或111In-近紅外的雙模態探針等?；?4Cu-量子點具有較大的表面積，有利于對成像功能基團進行修飾[2]。Hong等[3]利用氧化鋅納米粒子（ZnO NPs）和64Cu，IgG1與CD105（endoglin）的嵌合型單克隆抗體（TRC105）結合，研制了具有良好的載體PET顯像和腫瘤血管光學成像功能的探針?；?6Y、111In或64Cu的分子探針較11C和19F的半衰期長，易螯合，具有一定的成像優勢。

1.2 MRI/光學成像雙模態探針 MRI/光學成像雙模態探針是比較成熟的技術，MRI的敏感度高，而光學成像的靈敏度高，兩者結合提高了診斷準確性，隨著納米科技的發展，越來越多的材料用于構建MRI/光學探針，如熒光染料、功能性量子點、納米金和稀土材料[4]。Zhang等[5]合成了結合有半導體聚合物量子點和光敏劑的脂質體微粒（Pdots/Ce6@lipid-Gd-DOTA）用于MRI/PAI，且同時具有光動力和光熱的治療作用。上述結果表明，該探針的細胞毒性非常低，并能顯著增強MRI和PAI信號對比度，同時提供了腫瘤的解剖信息和形態信息。

1.3 MRI/CT成像雙模態探針 MRI/CT探針構建方式多樣，Jin等[6]合成了以鑭系為基礎的具有高敏感性、生物相容性好、合成過程簡單的多模態MRI/CT納米探針，即聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）修飾的稀土參雜的NaGdF4納米顆粒（PEGylated Dy-doped NaGdF4）。實驗結果表明，該探針能顯著增強注射后24 h肝臟、脾臟、腎臟的MRI對比度，并具有很強的X射線信號增強效應。

1.4 PET/MRI成像雙模態探針 目前，已有成熟的PET/MRI顯像設備，相應的PET/MRI分子探針也開始逐步用于科研和臨床，如基于124I納米材料、64Cu-納米材料和111I-超順磁納米的PET/MRI多模態分子探針。

1.5 PET/MRI/聲光成像三模態探針 近年來，三模態探針逐漸成為研究熱點，Kim等[7]成功研制了具有增強近紅外熒光信號的PET/MRI納米硅探針，實現了活體內前哨淋巴結的監測，利用熒光染料被剛性二氧化硅包裹時能促進輻射躍遷，增加熒光強度和量子產率，將熒光染料NIR797包裹于二氧化硅納米粒子內，制成MNP-SiO2（NIR797），再把放射性元素68Ga標記于MNP-SiO2（NIR797）表面，獲得了PET/MRI/FI三模態探針。Qin等[8]的研究實現了單一報告基因探針的三模態成像，與傳統的將不同報告基因聯合在一起實現多模態顯像不同，其利用帶酪氨酸酶（tyrosinase，TYR）編碼的質粒轉染人乳腺癌細胞MCF-7，TYR是黑色素生成的限速酶，黑色素能吸收光實現光學成像，將黑色素與18F-FHBG結合，實現PET成像，且因黑色素帶有大量的陰離子，與鐵結合后實現了MRI，將MCF-7-TYR接種于荷裸鼠前臂，具有較好的載體光聲成像、MRI和PET成像效果，見圖1。

圖1 三模態報告基因用于PET、MRI及光聲成像

此外，SPECT/光學、SPECT/CT/光學、SPECT/MRI等多模態分子探針也有報道，隨著研究的深入，相信會有更多的構建簡便、成像效果好、毒副作用小的分子探針相繼出現。

2 多模態分子探針的應用

多模態分子顯像融合幾種不同成像技術，能記錄從單細胞到活體分子水平的信息，廣泛用于腫瘤成像、免疫細胞遷徙、干細胞治療、轉基因動物或反映活體分子水平。

2.1 腫瘤分子成像 腫瘤的發生常伴隨著細胞表面受體、信號通路、代謝的改變，基因的異常突變導致腫瘤細胞大量增殖、免疫逃逸、血管新生、凋亡受抑、侵襲轉移、微環境改變等。上述改變均有可能成為多模態分子影像探測的靶點[9]。傳統的單一成像模式受分辨率、敏感度、穿透深度等的限制，難以發現早期的腫瘤，對腫瘤的定位、定性診斷較困難。多模態分子影像將同時具有多種顯像功能的分子探針注入機體，實現多種顯像，獲得較全面的病變部位的信息。Xin等[10]用碳酸氫鈉刻蝕介孔硅包裹的實心硅，形成中空介孔二氧化硅（hollow mesoporous silica nanocapsules，HMSs），在其表面修飾巰基和負載金納米顆粒作為種子，然后在氯金酸溶液中生長為納米金星（nanostar，NS）負載的HMSs，并包裹全氟已基（perflurohexane，PFH）和修飾一端為-SH的PEG，合成了多模態分子探針HMSs@Au-PFH-PEG NSs。靜脈注射或腫瘤內注射該探針可用于腫瘤的US/CT/PA/熱成像。在多模態分子探針上連接腫瘤特異性基團可以進一步提高探針的靶向性，An等[11]連接五甲川吲哚菁染料（Cy5）和18F-PET探針，合成了用于熒光顯像和PET顯像的探針，該探針結合了熒光顯像穩定時間長和PET成像穿透性強的特點，并具有自由羧基，能連接多種腫瘤特異性的生物分子標志物，用于腫瘤的特異性多模態成像。通過對分子探針的修飾，可以延長探針的血漿半衰期，增加其在腫瘤內的聚集濃度，進一步提高顯像質量。Xu等[12]合成了雙聚乙二醇修飾的納米石墨烯四氧化三鐵復合物，該PET/MRI/PA三模態分子探針具有較長的血漿半衰期（約27.7 h），在腫瘤內的聚集度大于11%ID/g。多模態分子探針不僅可以用于腫瘤的診斷性成像，還可用于腫瘤切除的術中成像導航。Kircher等[13]合成了MRI/PA/Raman三模態分子探針，術前利用MRI行初步腫瘤定位，術中行PAI檢測深層腫瘤，并利用Raman顯像確定腫瘤邊緣，實現腫瘤的精確切除。

2.2 干細胞監測 干細胞的監測主要分為干細胞移植后監測和腫瘤干細胞的監測。干細胞具有自我更新和多向分化的潛能，可用于治療多種器官組織的損傷，在再生醫學領域中具有極重要的地位。然而，傳統監測干細胞移植效果的方法多為有創性，且操作復雜，分子影像學的發展使監測干細胞移植后的定位、存活、分布、分化等成為可能。而多模態分子探針的發展進一步彌補了單種監測手段的不足。Pei等[14]研制的新型探針TGF融合了I型單純皰疹病毒胸腺嘧啶核苷激酶（HSV1-tk）、增強綠色熒光蛋白（enhanced fluorescent protein，eGFP）和螢火蟲熒光素酶（firefly luciferase，Fluc），構建攜帶上述報告基因的腺病毒載體（Ad5-TGF），轉染SD大鼠的骨髓間充質干細胞，在轉染復數為100時達到最高轉染率（70%）。轉染細胞131IFIAU攝取率與腺病毒滴度和轉染時間呈正相關（R2=0.9598，P＜0.05），并在3 h后到達平臺值（5.3%），載體實驗顯示，經尾靜脈注射Ad5-TGF后，SD大鼠的腫瘤區域顯示出良好的熒光信號、生物光學信號和PET成像效果[14]。

腫瘤干細胞是腫瘤啟動、進展、防御、再發、轉移中的關鍵因素，對腫瘤干細胞的監測有利于了解疾病的嚴重程度、治療效果及預后。CD44是多種腫瘤干細胞的標志物，成為潛在的腫瘤治療靶點。Al Faraj等[15]合成了生物相容性的CD44抗體多模態單壁碳納米管載體用于監測乳腺癌腫瘤干細胞，該納米載體能聚集于CD44受體豐富的區域，同時實現MRI、SPECT和近紅外熒光成像。

2.3 心腦血管疾病成像 心腦血管疾病是臨床常見病，發生率高，心血管急癥往往病情兇險，預后評估及治療監測方法有限。粥樣硬化斑塊尤其是不穩定斑塊是引起急性冠狀動脈綜合征、腦卒中及其他部位血管栓塞的主要因素。多模態分子探針已用于鑒定粥樣斑塊性質、心肌灌注顯像、存活心肌功能檢測等。PET心肌灌注顯像已廣泛用于臨床，有助于獲得心肌細胞的功能學信息，了解局部灌注情況，但其提供的解剖學信息不足，不能顯示冠狀動脈的狹窄程度，而MRI顯像或CT顯像對解剖病變有較好的分辨率，兩者結合能為心血管疾病的診斷及治療提供更詳細準確的信息。預測粥樣斑塊的穩定性是評估冠心病風險的一個重要方面，傳統的血管造影并不能鑒別穩定斑塊和易損斑塊。斑塊內巨噬細胞的聚集密度和區域與斑塊的穩定性相關，Jarrett等[16]構建64Cu-M-BSA（馬來酰牛血清白蛋白）對動脈粥樣硬化模型大鼠和小鼠行PET/MRI雙模態成像，PET用于顯示巨噬細胞聚集區域，而MRI進一步以高分辨率顯示了巨噬細胞的分布，免疫組化結果表明PET/MRI在動脈粥樣硬化方面的診斷潛力較大。Ding等[17]合成了直徑為80 nm的能用于CT成像和光學成像的雙模態量子點-碘油乳劑，該雙模態成像結合了CT成像的高分辨率和光學成像的高敏感度。體外微CT和共聚焦顯微鏡細胞圖像結果表明，巨噬細胞能內噬大量的該量子點-碘油納米乳劑。體外CT和熒光成像結果表明該納米乳劑能特異性地結合模型兔粥樣斑塊內的巨噬細胞，實現斑塊的雙模態顯像。除納米乳劑外，納米金屬也可以用于粥樣斑塊的多模態顯像，Qin等[18]合成了釓（III）-金納米棒（GdIII-GNRs）來示蹤巨噬細胞，該探針同時具有磁性和近紅外吸收特性，并能被巨噬細胞內噬，增強粥樣斑塊的MR和光聲信號。多模態成像不僅可以用于粥樣斑塊成像，也可以用于Takayasu動脈炎等其他血管疾病。18F-FDG PET/CT用于診斷Takayasu動脈炎時敏感度達78%，特異度達87%，在血沉增快的患者中敏感度更高。此外，PET/MRI也可以用于診斷Takayasu動脈炎，并較PET/CT更具優勢[19]。

3 多模態顯像設備的發展

3.1 PET/CT顯像設備 PET/CT將PET和CT獲得的解剖學信息進行融合。通過將正電子核素示蹤劑注射入體內，PET通過探測示蹤劑在人體內的分布情況顯示組織或靶器官的生理、病理、生化及代謝情況，其缺陷在于對圖像的解剖結構顯示不清楚，結合CT顯像可以對PET進行衰減校正，縮短數據采集時間，提高圖像分辨率，對病變部位進行解剖定位和鑒別[20]。第一臺PET/CT誕生于1998年，隨著醫學影像技術的發展，螺旋CT由最初的單層探測器發展為128層，CT掃描時間也縮短至0.4 s以下，PET探測儀的精度得到進一步提高，目前PET/CT已廣泛用于臨床各領域，如腫瘤疾病的早期診斷和良惡性鑒別、臨床分期、監測治療效果；冠狀動脈粥樣硬化的診斷、斑塊性質的判斷、冠狀動脈血流重建術的療效、存活心肌的評估；腦部疾病的定性、定位診斷，腦部腫瘤的分類和分型、腦組織損傷程度的評估；定位癲癇病灶，顯示腦血流、腦代謝以及腦神經受體分布等。

3.2 SPECT/CT顯像設備 第一臺SPECT/CT誕生于1999年，隨后GE、Philips、Siemens等多家公司推出了各自的研究設備，目前已有64排CT探頭和SPECT的融合設備。SPECT/CT設備利用CT圖像提供的人體組織密度分布信息進行SPECT圖像的衰減校正，一次檢查同時完成2種影像的掃描，最初的SPECT探測器多使用碘化鈉晶體，最新的探測器為半導體碲鋅鎘（cadmium zinc telluride，CZT），能將射線直接轉換為數字信號，具有高能量分辨率（5%～6%）、高量子探測效率（60%）、高空間分辨率（2 mm）、高靈敏度（普通SPECT的4倍）和高對比度。Scheyerer等[21]采用SPECT/CT評價骨盆損傷，在單一使用傳統影像技術不能確診的合并前恥骨支骨折的病例中，SPECT/CT顯示出了良好的聯合診斷優勢，并可以評估軟組織損傷。CZT-SPECT/CT用于評估心肌缺血敏感度和成像質量均較高，但重建過程的運算法較繁瑣。Koopman等[22]比較了使用或不使用衰減校正對心肌缺血成像的影響，結果顯示，操作者因素會影響心肌灌注顯像的數據結果，在使用了衰減校正的病例組中更為顯著?？傮w來說，SPECT/CT已廣泛用于全身性骨顯像、診斷顱底病變、肺通氣灌注顯像、心肌顯像、腫瘤顯像等。

3.3 PET/MRI顯像設備 PET/MRI同機融合需要解決很多技術問題，PET探測器包括閃爍晶體和光電倍增管，光電倍增管不能兼容MR磁場，而新研制的雪崩光電倍增管（avalanche photodiode，APD）和硅光電倍增管（silicon photomultipliers，SIMPS）具有較好的兼容性，APD對磁場的敏感性低，可以通過極短的光纖直接與PET的閃爍晶體連接，但APD需要強大的冷卻系統來維持溫度穩定。SIMPS的溫度穩定性、能量分辨率和時間分辨率均優于APD[23]。此外，PET/MRI同機尚需解決雙模態探針、偽影處理、采集時間優化、安全性評估[24]等問題。目前，GE、Philips、Siemens公司均有研發成功的PET/MRI設備，廣泛用于腫瘤的診斷、分期、療效評估、復發檢測、神經退行性病變、癲癇、神經細胞代謝障礙、冠狀動脈狹窄、微血管病變、心肌存活顯像，以及關節、韌帶、肌腱、軟骨、骨髓成像等。Appenzeller等[25]比較了PET/MRI（體線圈單梯度回波序列MRI）和PET/CT（標準、低劑量、無對比增強的CT）的診斷準確度、損傷灶敏感度、精確度和病灶明晰性，評估了63例不同部位惡性腫瘤的分期、再分期和隨訪，結果顯示PET/CT在診斷肺部損傷時病灶明晰性明顯優于PET/MRI（P=0.016），PET/CT對淋巴結的病灶明晰性也明顯優于PET/MRI（P=0.033），在骨損傷患者中，兩者無顯著差異。

3.4 SPECT/MRI顯像設備 與PET相比，SPECT的分辨率和靈敏度較低，成像質量較差，且SPECT的示蹤劑和99Tcm、111In等較PET常用的示蹤劑18F、11C、15O的生理性更弱，PET/MRI同機融合所遇到的技術難點，SPECT/MRI也同樣會遇到，但SPECT也具有一定的優勢，SPECT較PET結構簡單、成本低廉，示蹤劑范圍更廣[26]。

綜上所述，隨著分子影像學的發展，多模態分子影像必將對生物、醫學、藥物等多個領域產生更深刻的影響，多模態分子成像不僅要求有先進的成像設備，更要求發展新型高效的分子探針?，F有的分子成像技術在分辨率、探測限度、可利用度、能量延展度等方面尚有缺陷，構建安全、有效、兼具檢測和治療功能的新型多模態分子探針是未來發展的重要方向。