分子影像學(xué)探針的研究現(xiàn)狀與展望

王培軍，沈愛(ài)軍

(同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院影像科，上海 200065)

Researchstatusandprospectofmolecularimagingprobe

分子影像學(xué)探針的研究現(xiàn)狀與展望

王培軍，沈愛(ài)軍

(同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院影像科，上海 200065)

1999年，美國(guó)哈佛大學(xué)Weissleder[1]首次提出分子影像學(xué)的概念，2005年、2007年北美放射協(xié)會(huì)和美國(guó)核醫(yī)學(xué)和分子影像學(xué)協(xié)會(huì)進(jìn)一步拓展其含義[2-3]：分子影像學(xué)是可在分子或細(xì)胞水平觀察、定性并定量分析人類(lèi)及其他生命體的生物學(xué)過(guò)程，一般包括二維或三維圖像及隨時(shí)間變化的信號(hào)定量圖譜。分子影像學(xué)的興起，打破了傳統(tǒng)影像學(xué)主要反映解剖結(jié)構(gòu)變化的局限，使現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像學(xué)深入到了生命有機(jī)體的微觀層面，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)影像向功能影像的延展，為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的疾病診斷提供了有效途徑。

分子影像學(xué)的發(fā)展，主要依賴(lài)于兩個(gè)方面，其一是各種醫(yī)用成像設(shè)備的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，如新的MR序列的開(kāi)發(fā)、CT探測(cè)器敏感度的提升等；另一方面是能夠提升成像敏感度、特異度的各類(lèi)新的分子成像探針的研發(fā)。由于目前醫(yī)學(xué)影像學(xué)的成像手段主要為CT、MRI、核醫(yī)學(xué)、超聲及光學(xué)成像等，雖然這些成像技術(shù)隨著現(xiàn)代物理學(xué)和醫(yī)用電子技術(shù)的快速發(fā)展而不斷改進(jìn)，但目前其分辨率還遠(yuǎn)達(dá)不到單個(gè)細(xì)胞或分子成像的水平。因此，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)具有信號(hào)放大效應(yīng)、組織或生物微環(huán)境高度特異性的分子成像探針，對(duì)分子影像學(xué)的實(shí)現(xiàn)和發(fā)展至關(guān)重要。

納米材料科學(xué)的興起，特別是其在生物學(xué)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用研究的飛速發(fā)展，一個(gè)集多學(xué)科交叉的新興學(xué)科——納米醫(yī)學(xué)隨之誕生。納米醫(yī)學(xué)不僅為臨床治療學(xué)提供了質(zhì)的改變，更為以精準(zhǔn)診斷為目的的分子影像學(xué)探針的設(shè)計(jì)和構(gòu)建提供了可能。分子影像學(xué)探針的設(shè)計(jì)原則必須包括兩個(gè)基本條件，即明顯提升的成像敏感度和高度特異的靶病灶診斷效能，同時(shí)也應(yīng)滿足較小的分子量、較長(zhǎng)的體內(nèi)半衰期、無(wú)細(xì)胞毒性等生物應(yīng)用要求。目前，分子影像學(xué)納米探針的分類(lèi)尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同的成像手段，可分為CT探針、MRI探針、核醫(yī)學(xué)探針、超聲探針及光學(xué)探針，以探針本身的特點(diǎn)分類(lèi)，可分為靶向型和智能型，而后者更能反映分子影像學(xué)的理念和納米探針的設(shè)計(jì)原則。

靶向型探針包括主動(dòng)靶向型和被動(dòng)靶向型。主動(dòng)靶向型探針是借助納米載體及各類(lèi)成像劑(熒光素、核素、順磁性復(fù)合物等)，將對(duì)靶病灶具有特異性親和力的靶向劑(抗體、肽、小分子化合物等)與之連接，通過(guò)探針與組織靶點(diǎn)的直接結(jié)合而成像。合適靶點(diǎn)的選擇是該類(lèi)探針成像的關(guān)鍵。如超小超順磁性氧化鐵(USPIO)標(biāo)記的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(arg-gly-asp, RGD)序列可被惡性腫瘤細(xì)胞和新生血管過(guò)表達(dá)的整合素αvβ3識(shí)別并與之結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了腫瘤的特異性MR成像[4]；放射性核素124I標(biāo)記的抗血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)單克隆抗體HuMV833可有效結(jié)合腫瘤內(nèi)過(guò)表達(dá)的VEGF，完成腫瘤血管生成評(píng)價(jià)的PET成像[5]；雙靶向功能的多肽(Angiopep-2)與摻雜Gd3+的轉(zhuǎn)換發(fā)光納米晶體結(jié)合，可在有效穿越血腦屏障的同時(shí)，與腦膠質(zhì)瘤特異性結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了雙靶向條件下的MRI/熒光雙模態(tài)成像[6]。被動(dòng)靶向型探針是利用組織、器官或靶病灶區(qū)特定的生理或病理生理特點(diǎn)，如網(wǎng)狀內(nèi)皮吞噬系統(tǒng)的巨噬細(xì)胞或肝細(xì)胞的特異性識(shí)別和吞噬、腫瘤新生血管的不完整性和淋巴功能缺陷所產(chǎn)生的高通透性和滯留(enhanced permeability and retention, EPR)效應(yīng)，設(shè)計(jì)合成相應(yīng)的分子探針，在不借助靶向劑的條件下，達(dá)到在靶組織或病灶區(qū)被動(dòng)富集的目的。被動(dòng)靶向型探針最早用于肝臟特異性成像，并已成功地用于臨床(Eovist?和MultiHance?)。腫瘤EPR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為被動(dòng)靶向納米探針的研發(fā)提供了更多的空間，且納米探針尺寸為70～200 nm更容易實(shí)現(xiàn)。有研究者[7]將被動(dòng)靶向納米探針用于心血管疾病的特異性成像，通過(guò)設(shè)計(jì)具有較高T1弛豫率，且可被動(dòng)脈粥樣硬化斑塊區(qū)巨噬細(xì)胞識(shí)別并吞噬的超小NaGdF4納米探針，成功實(shí)現(xiàn)了動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的特異性成像。但靶向型探針在分子影像學(xué)中的應(yīng)用也具有一定的局限性。首先，主動(dòng)靶向型探針較易被體內(nèi)的免疫監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，并在其靶向劑表面形成“蛋白冠”，極大地影響了探針與靶點(diǎn)的結(jié)合效率；其次，靶向型探針仍存在背景噪聲高的缺點(diǎn)，因此需要一段時(shí)間將血液中的探針完全清除后才可更好地顯示與靶組織結(jié)合的納米探針的信號(hào)。

智能型探針又稱(chēng)可激活型探針、感應(yīng)型探針，是一類(lèi)可特異性響應(yīng)組織微環(huán)境變化，并通過(guò)影像學(xué)信號(hào)改變進(jìn)行成像的分子影像學(xué)探針的統(tǒng)稱(chēng)。與靶向型探針比較，因智能型納米探針僅在被特定的分子事件激活時(shí)才會(huì)產(chǎn)生或明顯放大成像信號(hào)，其成像的信噪比明顯提高?？梢鹬悄苄吞结樞盘?hào)變化的組織微環(huán)境或分子事件主要有：腫瘤組織pH值的降低，H2O2含量的增加，發(fā)生腫瘤、肝損傷、阿爾海默茲病等，病變區(qū)還原性巰基化合物谷胱甘肽(GSH)含量增加，細(xì)胞早期凋亡事件發(fā)生，胞漿內(nèi)半胱天冬酶-3(caspase-3)的激活等。有研究者[8]以PEG為殼，磷酸鈣限制的Mn2+為核構(gòu)建了一種可用于腫瘤乏氧區(qū)成像的分子探針，當(dāng)探針進(jìn)入腫瘤后，腫瘤乏氧區(qū)更低的pH值可引起磷酸鈣的溶解，從而釋放出其限制的Mn2+，引起局部T1弛豫率的明顯升高，進(jìn)而成功繪制出腫瘤內(nèi)乏氧區(qū)的地圖，為臨床提升腫瘤治療效果提供有效幫助。此外，將探針內(nèi)引入雙硫鍵并被體內(nèi)增加的GSH所打斷的設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了反映病變區(qū)氧化還原狀態(tài)的分子水平成像(熒光、19F-MRS、MRI等)[9]；通過(guò)引入可被caspase-3識(shí)別并切斷的氨基酸序列，探針能夠在激活的caspase-3作用下實(shí)現(xiàn)小分子單體間的聚集，引起成像信號(hào)的明顯放大，進(jìn)而可反映細(xì)胞早期凋亡事件的發(fā)生[10]。

前述兩類(lèi)分子探針的研究介紹尚不能完全囊括分子影像學(xué)探針研發(fā)的全部工作，在此基礎(chǔ)之上，將分子影像學(xué)探針的功能進(jìn)一步拓展，如同一體系的多模態(tài)成像、影像介導(dǎo)下的治療協(xié)同增效等，均取得了較好的效果。介入分子影像學(xué)的發(fā)展，進(jìn)一步拓寬了分子影像學(xué)探針的應(yīng)用研究范圍，使非靶向型探針應(yīng)用于分子影像學(xué)成為可能，并有望克服光學(xué)分子成像探針組織穿透深度的局限，促使其向臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化。但目前分子影像學(xué)探針的研究基本處于細(xì)胞或動(dòng)物實(shí)驗(yàn)水平階段，實(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化還任重而道遠(yuǎn)，因此需要研究者不斷積極地求真探索。

[1] Weissleder R. Molecular imaging: Exploring the next frontier. Radiology, 1999,212(3):609-614.

[2] Thakur ML, Lentle BC, SNM, et al. Joint SNM/RSNA molecular imaging summit statement. J Nucl Med, 2005,46(9):11N-13N,42N.

[3] Mankoff D. A definition of molecular imaging. J Nucl Med, 2007,48(8):18N.

[4] Kiessling F, Huppert J, Zhang C, et al. RGD labeled USPIO inhibits adhesion and endocytotic activity of αvβ3-integrin-expressing glioma cells and only accumulates in the vascular tumor compartment. Radiology, 2009,253(2):462-469.

[5] Jayson GC, Zweit J, Jackson A, et al. Molecular imaging and biologicalevaluation of HuMV833 anti-VEGF antibody: Implications for trial design of antiangiogenic antibodies. J Natl Cancer inst, 2002,94(19):1484-1493.

[6] Ni DL, Zhang JW, Bu WB, el al. Dual-targeting upconversion nanoprobes across the blood-brain barrier for magnetic resonance/fluorescence imaging of intracranial glioblastoma. ACS Nano, 2014,8(2):1231-1242.

[7] Xing H, Zhang S, Bu W, et al. Ultrasmall NaGdF4nanodots for efficient MR angiography and atherosclerotic plaque imaging. Adv Mater, 2014,26(23):3867-3872.

[8] Mi P, Kokuryo D, Cabral H, et al. A pH-activatable nanoparticle with signal-amplification capabilities for non-invasive imaging of tumour malignancy. Nature Nanotechnol, 2016,11(8):724-732.

[9] Zheng M, Wang Y, Shi H, et al. Redox-mediated disassembly to build activatable trimodal probe for molecular imaging of biothiols. Acs Nano, 2016,10(11):10075-10085.

[10] Yuan Y, Ding Z, Qian J, et al. Casp3/7-instructed intracellular aggregation of Fe3O4nanoparticles enhances T2MR imaging of tumor apoptosis. Nano Lett, 2016,16(4):2686-2691.

10.13929/j.1003-3289.201707087

R445

B

1003-3289(2017)10-1445-02

王培軍(1960—)，男，浙江寧波人，博士，主任醫(yī)師。研究方向：腫瘤的功能影像學(xué)、分子影像學(xué)研究及介入治療。E-mail: tongjipjwang@vip.sina.com

2017-07-19

2017-08-25