磁共振分子成像技術(shù)：鋒芒初露的解讀生命科學(xué)利器

薛華丹，金征宇

分子影像學(xué)(molecular imaging, MI)是隨著影像醫(yī)學(xué)與分子生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展和相互融合而形成的新的研究領(lǐng)域，最早于1999年由美國(guó)哈佛大學(xué)Ralph Weissleder教授提出，廣義定義為應(yīng)用影像學(xué)的方法對(duì)活體狀態(tài)下的生物過(guò)程進(jìn)行細(xì)胞和分子水平的定性和定量研究[1]。與傳統(tǒng)的臨床影像方法相比，它更注重探測(cè)疾病分子水平的異常，而不是這些分子改變的最終結(jié)果的成像。進(jìn)行分子影像學(xué)研究需要高靈敏度的成像設(shè)備，能夠定量檢測(cè)與靶目標(biāo)結(jié)合的皮米或納米級(jí)探針，而靶目標(biāo)(如受體)的表達(dá)量通常很低，高水平表達(dá)(每個(gè)細(xì)胞大于106)的受體濃度最多也只在1015/ml微摩爾范圍內(nèi)[2]。因此，作為高敏感性的成像模態(tài)，核醫(yī)學(xué)技術(shù)(PET和SPECT)一直走在分子成像的前列。臨床上現(xiàn)已使用檢測(cè)高糖代謝的分子探針(FDG)。此外，磁共振、光學(xué)以及超聲成像也是目前最為常用的分子影像學(xué)技術(shù)，其中磁共振分子顯像研究近年來(lái)備受關(guān)注。

1 磁共振分子成像概念

MRI在臨床疾病的診治中一直扮演著重要的角色，尤其近年來(lái)磁共振技術(shù)發(fā)展迅速，不僅廣泛用于人體各系統(tǒng)的解剖成像、疾病診斷，更已悄然進(jìn)入分子影像、功能成像時(shí)代。磁共振分子成像技術(shù)(molecular magnetic resonance imaging, mMRI)是以特殊分子作為成像依據(jù)，定性和/或定量研究生物組織內(nèi)基因表達(dá)、代謝活性高低及細(xì)胞內(nèi)生物活動(dòng)狀態(tài)等結(jié)構(gòu)及功能變化的生理過(guò)程，將非特異性物理成像轉(zhuǎn)為特異性分子成像，進(jìn)而能在活體狀態(tài)下監(jiān)測(cè)病變發(fā)展過(guò)程，研究病理機(jī)制，在基因治療后、表型改變前評(píng)價(jià)治療的早期效能， 所以評(píng)價(jià)疾病的指標(biāo)更加完善和具備特異性，可提供較傳統(tǒng)的組織學(xué)檢查更立體、快速的三維信息[3]。廣義的磁共振分子成像范疇除包括標(biāo)記靶分子成像、報(bào)告基因成像外尚包括DWI、PWI及MRS。目前磁共振分子成像技術(shù)還處于其發(fā)展的初級(jí)階段，但它在臨床醫(yī)學(xué)和基礎(chǔ)研究中都具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

2 磁共振分子成像技術(shù)原理

磁共振分子成像技術(shù)的基本原理如下：將遺傳基因信息、生物化學(xué)與新的成像探針綜合輸入活體組織細(xì)胞內(nèi)，用它標(biāo)記所研究的“靶點(diǎn)”，再利用磁共振分子成像技術(shù)探測(cè)分子探針發(fā)出的信息，或采用特殊技術(shù)(如MRS)特定標(biāo)記與生化代謝相關(guān)的化合物，經(jīng)一系列圖像后處理技術(shù)生成活體組織的分子圖像、功能代謝圖像或基因轉(zhuǎn)變圖像，從而對(duì)疾病進(jìn)行亞臨床期的診斷和治療。

進(jìn)行活體內(nèi)磁共振分子成像技術(shù)需滿足三個(gè)基本條件：(1)高特異性分子探針，(2)生物信號(hào)放大技術(shù)，(3)靈敏、快速獲取高分辨率圖像的探測(cè)系統(tǒng)。小分子、高親和力的可激活探針，生物信號(hào)放大等關(guān)鍵問題對(duì)于分子水平的磁共振成像尤為重要[4-6]。

3 分子探針與靶向?qū)Ρ葎?/h2>

分子探針(molecular probe)是一種能與活體細(xì)胞內(nèi)某一靶向目標(biāo)特異性結(jié)合，可以檢測(cè)其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)并能產(chǎn)生信號(hào)，在原位及體內(nèi)實(shí)時(shí)被特定的設(shè)備監(jiān)測(cè)的一種分子結(jié)構(gòu)。分子探針具有擴(kuò)增能力，能夠在一定程度上將需要探測(cè)的信號(hào)進(jìn)行放大便于成像。分子探針的要求是：分子量要小，與靶目標(biāo)有高度的親和力，能迅速穿過(guò)生物代謝屏障，如血管、間葉組織及細(xì)胞膜，半衰期長(zhǎng)，不能被機(jī)體迅速代謝等[7]。

MR分子探針必須具備與靶組織的高度親和力，能與體內(nèi)組織細(xì)胞特異性結(jié)合，且能被MRI探測(cè)到對(duì)比劑或標(biāo)記物部分。將傳統(tǒng)MRI對(duì)比劑做成分子探針的信號(hào)組件，可以通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)體與靶向性親和組件相連，從而靶向性導(dǎo)入表達(dá)特異性靶分子的組織和細(xì)胞中，達(dá)到對(duì)比增強(qiáng)的效果。轉(zhuǎn)運(yùn)體可以是微粒(脂質(zhì)體、乳劑)、納米高分子、病毒構(gòu)建體、多聚體、氟碳乳劑等。靶向性的親和組件可以直接偶聯(lián)在轉(zhuǎn)運(yùn)體上，這些親和組件包括小分子多肽類似物、單克隆抗體、重組蛋白、抗體片段、糖及新近應(yīng)用的核酸適體等。

常用的MRI分子探針主要有兩類[8,9]：一類是以釓為基礎(chǔ)的順磁性分子探針, 能產(chǎn)生T1陽(yáng)性信號(hào)對(duì)比，有鑭螯合劑和釓-DTPA及其衍生物?，F(xiàn)有研究已證實(shí)釓為基礎(chǔ)的可激活探針進(jìn)行基因表達(dá)成像的可行性。但由于以釓為基礎(chǔ)的順磁性分子探針在分子水平成像時(shí)所需要的濃度較高，技術(shù)難度大，且存在一定程度的毒性作用，故應(yīng)用較少；另一類是以氧化鐵為基礎(chǔ)的超順磁性分子探針，能產(chǎn)生T2陰性信號(hào)對(duì)比，可以為單晶體, 也可以是涂有多糖的多晶體。目前常用的是超順磁性氧化鐵顆粒(superparamagnetic iron oxide, SPIO)、超小順磁性氧化鐵顆粒(ultrasmall superparamagnetic iron oxide,USPIO)和單晶體氧化鐵顆粒(monocrystalline iron oxide nanocompounds, MION)，其特點(diǎn)是顆粒小、穿透性強(qiáng)且弛豫率約為同樣條件下Gd的7～10倍, 即在很低濃度條件下就可在MRI上形成對(duì)比,同時(shí)具有生物可降解性,被細(xì)胞代謝后可進(jìn)入正常血漿鐵池，安全性高，實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果也表明超順磁性物質(zhì)轉(zhuǎn)染后標(biāo)記的細(xì)胞不存在近期和遠(yuǎn)期毒副作用,是一種安全、有效、特異性高的分子探針，因此被廣泛應(yīng)用于磁共振分子成像中。

此外，一些可激活探針也逐漸引起人們的興趣，這種可激活探針能夠?qū)χ車h(huán)境產(chǎn)生反應(yīng)，如：pH，溫度，金屬離子，蛋白質(zhì)或酶，核酸，代謝產(chǎn)物等，通過(guò)改變分子結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到差別對(duì)比。

近年來(lái)，由于多模態(tài)影像技術(shù)的飛速發(fā)展，多功能分子探針成為分子影像研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)[10,11]。這種探針結(jié)合了MR和其他成像方式的優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)Stanford大學(xué)醫(yī)學(xué)院新近研制出一種結(jié)合PET和MRI的雙功能分子探針：放射性核素64Cu(半衰期為12.7h)標(biāo)記的RGD-PASP-IO，并在動(dòng)物模型體內(nèi)驗(yàn)證了這種探針對(duì)腫瘤表達(dá)整合素αvβ3PET/MRI成像的特異性和有效性[12]。這種多模態(tài)的設(shè)計(jì)理念已經(jīng)成為小動(dòng)物在體成像的技術(shù)潮流，并有更多相關(guān)的分子影像技術(shù)納入這一體系。

4 磁共振分子成像基本技術(shù)

通常依據(jù)不同的成像對(duì)比劑，磁共振分子成像采用不同的掃描序列。一般包括T1WI、T2WI、T2*map序列和T2map序列。對(duì)于以氧化鐵為基礎(chǔ)的分子探針，國(guó)內(nèi)外均普遍測(cè)量組織的T2*值或T2值。SE序列是臨床檢測(cè)組織T2值的首選序列，在保持TR等其他參數(shù)不變的情況下，增加多組TE值，一般為6～8組，如果圖像中每個(gè)像素在不同TE上的信號(hào)強(qiáng)度與組織T2弛豫的指數(shù)曲線是一致的，該曲線的特性可以用于組織T2值的測(cè)量?，F(xiàn)在部分MRI設(shè)備上，安裝有T2值測(cè)量和計(jì)算軟件，當(dāng)SE序列選用多個(gè)TE，調(diào)用該軟件可以自動(dòng)計(jì)算每個(gè)像素的T2值，并可自動(dòng)生成T2值圖(T2 map)。

由于T2*值可以更靈敏地反應(yīng)組織內(nèi)磁敏感性的改變，近年來(lái)組織T2*值的測(cè)量日益受到重視，其采用擾相GRE序列，在該序列上保持TR、脈沖偏轉(zhuǎn)角等信息參數(shù)不變，采用2個(gè)以上的TE獲得2組以上的圖像，測(cè)量不同TE圖像上組織的信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算組織的T2*值。在GE公司的設(shè)備上目前有一個(gè)研究版本軟件，專門用于組織T2*值的測(cè)量，可合成T2*圖(單位為毫秒)或R2*圖(R2*也稱為T2*弛豫率，R2*=1/T2*，單位為Hz)。

5 磁共振分子成像技術(shù)的應(yīng)用概況

磁共振分子影像學(xué)目前主要應(yīng)用在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域(除外DWI、PWI、MRS臨床已常規(guī)應(yīng)用技術(shù))，由于受到學(xué)科現(xiàn)有技術(shù)水平和法律法規(guī)的限制，臨床前及臨床實(shí)驗(yàn)很少開展。即使如此，磁共振分子影像學(xué)仍顯示出了很好的應(yīng)用前景，其在基因顯像、血管生成、疾病的早期診斷、療效評(píng)估、細(xì)胞示蹤及藥物篩選等方面已取得了令人振奮的成果。

5.1 基因表達(dá)與基因治療成像

在臨床醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域中，基因治療被認(rèn)為是最具潛力、最可能發(fā)生革命性變化的領(lǐng)域，基因轉(zhuǎn)染和表達(dá)是其中的主要技術(shù)手段。應(yīng)用磁共振報(bào)告基因成像可將目的基因和報(bào)告基因整合在一起，通過(guò)監(jiān)測(cè)報(bào)告基因來(lái)判斷目的基因的存在情況。在以MR為成像方法的報(bào)告基因技術(shù)中，第1類標(biāo)記基因編碼產(chǎn)物為酶類，包括酪氨酸酶、β-半乳糖苷酶、胞嘧啶脫氨酶、精氨酸激酶、肌酸酐激酶。這種方法開發(fā)了特定酶修改成像藥物前體(prodrugs)的能力，即將探針(含酶底物)修飾成藥物前體，經(jīng)特定的酶催化，將藥物釋放出來(lái)，通過(guò)藥物在組織中的積聚反映出目的基因的表達(dá)。第2類標(biāo)記基因編碼產(chǎn)物為受體，主要為轉(zhuǎn)鐵蛋白受體，通過(guò)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體探針進(jìn)行探測(cè)。

磁共振基因成像技術(shù)是繼核素基因顯像之后出現(xiàn)的新的無(wú)創(chuàng)性技術(shù)，其突出的特點(diǎn)是具有更高的空間分辨率(spatial resolution)，可反復(fù)動(dòng)態(tài)觀察，且能同時(shí)獲得生理與解剖信息，因而多應(yīng)用于基因傳遞、基因表達(dá)及基因療效監(jiān)測(cè)中[13]。其潛在應(yīng)用包括：①示蹤載體(包括載體干細(xì)胞)，顯示載體的分布情況；②明確轉(zhuǎn)染的目的基因是否在靶器官成功表達(dá)；③定位靶組織內(nèi)的基因分布是否合適；④評(píng)估靶細(xì)胞的基因表達(dá)水平及持續(xù)時(shí)間，追蹤能否遺傳等。另外，它的應(yīng)用將增加對(duì)基因轉(zhuǎn)染過(guò)程的了解，這對(duì)基因治療的發(fā)展和完善極為重要。

5.2 分子水平定量評(píng)價(jià)腫瘤的血管生成

目前，監(jiān)測(cè)腫瘤血管生成最引人注目的方法是以與腫瘤血管生成密切相關(guān)的新生血管內(nèi)皮細(xì)胞的表達(dá)物為靶目標(biāo)進(jìn)行成像。常用的有以VEGF、整合素αvβ3為成像靶點(diǎn)的MR分子成像。如將對(duì)比劑與整合素αvβ3單抗拼接后，可與整合素αvβ3結(jié)合，進(jìn)而將新生血管與原有宿主血管分開，定量分析新生血管的結(jié)構(gòu)和功能情況[14,15]。另一方面，由于腫瘤血管生成過(guò)程中伴隨某些特征性標(biāo)記物水平上調(diào)，通過(guò)與這些標(biāo)記物特異性結(jié)合，從而進(jìn)行外源性基因的表達(dá)成像。Kayyem等[16]合成了一種耦聯(lián)多聚賴氨酸的特殊配體分子，兩端分別連接治療基因和MR對(duì)比劑，可與細(xì)胞表面受體或抗原特異性結(jié)合，把所連接的治療基因、MR對(duì)比劑同時(shí)導(dǎo)入到特定細(xì)胞內(nèi)，通過(guò)MR的強(qiáng)化程度即可直接判斷目的基因的轉(zhuǎn)染情況。目前，上述特異性對(duì)比劑如釓離子標(biāo)記的多聚脂質(zhì)體已經(jīng)接近臨床應(yīng)用。

因此，MR分子成像技術(shù)可以定量分析新生血管的生成、結(jié)構(gòu)和功能情況，還可監(jiān)測(cè)血管生成抑制因子及刺激因子在時(shí)間及空間上的分布。另外，經(jīng)過(guò)修飾后的特異性對(duì)比劑還可轉(zhuǎn)變成具有治療功能的物質(zhì)，使治療和診斷合二為一。

5.3 疾病早期診斷、療效監(jiān)測(cè)

目前臨床對(duì)疾病的影像學(xué)診斷是以大體病理改變?yōu)榛A(chǔ)的，發(fā)現(xiàn)時(shí)往往是疾病的終末期。磁共振分子成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在分子水平檢測(cè)病變，從而真正達(dá)到了早期診斷、早期治療的目的。同時(shí)應(yīng)用分子影像學(xué)技術(shù)在治療極早期就可以反映出治療的效果，從而對(duì)治療方案進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估[17]。

5.4 細(xì)胞示蹤

細(xì)胞治療是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)治療技術(shù)的重要組成部分。細(xì)胞治療廣泛開展后，如何無(wú)創(chuàng)性在活體內(nèi)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)細(xì)胞的遷移、生存狀態(tài)一直是困擾醫(yī)學(xué)科研工作者的難題，也是近幾年研究工作的熱點(diǎn)。能否在細(xì)胞分子水平對(duì)活體細(xì)胞的分布、增殖、遷徙進(jìn)行評(píng)價(jià)是影響治療成敗的關(guān)鍵因素。

在基礎(chǔ)研究中，MR示蹤劑的有效時(shí)間長(zhǎng)，可以實(shí)時(shí)、無(wú)創(chuàng)、連續(xù)多次觀察細(xì)胞的動(dòng)態(tài)遷徙過(guò)程，且空間、時(shí)間分辨率高，對(duì)比度好，故在活體細(xì)胞的示蹤中有良好的前景[18,19]。與常規(guī)體外和細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)相比具有明顯優(yōu)勢(shì)，磁共振分子成像技術(shù)為細(xì)胞示蹤術(shù)的發(fā)展提供了充足的技術(shù)保障和良好的研究平臺(tái)，從而開創(chuàng)了分子影像學(xué)與細(xì)胞治療相結(jié)合的新局面。

5.5 藥物研究

磁共振分子成像技術(shù)對(duì)藥物的臨床前研究發(fā)揮重大作用。在藥物研發(fā)早期，將標(biāo)記的受試藥物取微克量注入到動(dòng)物體內(nèi)，利用分子影像學(xué)技術(shù)就可以監(jiān)測(cè)藥物在動(dòng)物體內(nèi)的分布情況，判斷該藥物是否能夠準(zhǔn)確到達(dá)靶區(qū)，對(duì)藥物的藥代動(dòng)力學(xué)和藥效動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)測(cè)[20]，從而提高藥物臨床前安全性評(píng)價(jià)的可參考價(jià)值，提供更為可靠的依據(jù)。同時(shí)，還可以極大加快藥物的研發(fā)速度，縮短預(yù)臨床研究時(shí)間，減少新藥研制的資金投入。

6 磁共振分子成像技術(shù)的不足與展望

目前，磁共振分子成像技術(shù)在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)水平已取得重大研究進(jìn)展，大量研究已證實(shí)利用磁共振技術(shù)進(jìn)行分子水平成像的優(yōu)勢(shì)及可行性，但要實(shí)現(xiàn)臨床廣泛應(yīng)用仍面臨許多問題，如分子探針的安全性、敏感性及標(biāo)準(zhǔn)方法的建立；探測(cè)信號(hào)敏感性；擴(kuò)增系統(tǒng)的有效性等。這些還有待于磁共振軟、硬件系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，此外，發(fā)展多模態(tài)成像克服單一模態(tài)技術(shù)的局限性也是未來(lái)研究的發(fā)展方向[21]。

總之，磁共振分子成像技術(shù)為醫(yī)學(xué)影像學(xué)的發(fā)展提供了一個(gè)前所未有的機(jī)遇，將極大促進(jìn)相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展，顯著提高疾病診斷的敏感性和準(zhǔn)確性，將生命影像診斷技術(shù)帶入全新的時(shí)代。

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