多模態(tài)分子影像的研究進展

柳梅，冷德文，范學朋

武漢市第一醫(yī)院重癥監(jiān)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(tài)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(yī)學、核醫(yī)學、計算機醫(yī)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(fā)光成像、熒光成像（fluorescence imaging，F(xiàn)I）、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(fā)射型計算機斷層成像（SPECT）和正電子發(fā)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(tài)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(xiàn)了優(yōu)勢互補，拓寬了分子影像技術的應用范圍。多模態(tài)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(tài)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(lián)位點數(shù)目的限制。間接顯像指通過報告探針對報告基因表達產(chǎn)物進行特異性的捕獲而顯像。本文擬對多模態(tài)分子影像的最新研究進展進行綜述。

1 多模態(tài)分子探針的構建

1.1 PET/光學成像雙模態(tài)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(tài)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(yōu)勢。

1.2 MRI/光學成像雙模態(tài)探針 MRI/光學成像雙模態(tài)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(fā)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(zhì)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(tài)信息。

1.3 MRI/CT成像雙模態(tài)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(tài)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(tài)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(tài)分子探針。

1.5 PET/MRI/聲光成像三模態(tài)探針 近年來，三模態(tài)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(xiàn)了活體內(nèi)前哨淋巴結的監(jiān)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(chǎn)率，將熒光染料NIR797包裹于二氧化硅納米粒子內(nèi)，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(tài)探針。Qin等[8]的研究實現(xiàn)了單一報告基因探針的三模態(tài)成像，與傳統(tǒng)的將不同報告基因聯(lián)合在一起實現(xiàn)多模態(tài)顯像不同，其利用帶酪氨酸酶（tyrosinase，TYR）編碼的質(zhì)粒轉(zhuǎn)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(xiàn)光學成像，將黑色素與18F-FHBG結合，實現(xiàn)PET成像，且因黑色素帶有大量的陰離子，與鐵結合后實現(xiàn)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(tài)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(tài)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(xiàn)。

2 多模態(tài)分子探針的應用

多模態(tài)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(zhuǎn)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(fā)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(zhuǎn)移、微環(huán)境改變等。上述改變均有可能成為多模態(tài)分子影像探測的靶點[9]。傳統(tǒng)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(fā)現(xiàn)早期的腫瘤，對腫瘤的定位、定性診斷較困難。多模態(tài)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(xiàn)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(tài)分子探針HMSs@Au-PFH-PEG NSs。靜脈注射或腫瘤內(nèi)注射該探針可用于腫瘤的US/CT/PA/熱成像。在多模態(tài)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(wěn)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(tài)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(nèi)的聚集濃度，進一步提高顯像質(zhì)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(tài)分子探針具有較長的血漿半衰期（約27.7 h），在腫瘤內(nèi)的聚集度大于11%ID/g。多模態(tài)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(tài)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(xiàn)腫瘤的精確切除。

2.2 干細胞監(jiān)測 干細胞的監(jiān)測主要分為干細胞移植后監(jiān)測和腫瘤干細胞的監(jiān)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(yī)學領域中具有極重要的地位。然而，傳統(tǒng)監(jiān)測干細胞移植效果的方法多為有創(chuàng)性，且操作復雜，分子影像學的發(fā)展使監(jiān)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(tài)分子探針的發(fā)展進一步彌補了單種監(jiān)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，F(xiàn)luc），構建攜帶上述報告基因的腺病毒載體（Ad5-TGF），轉(zhuǎn)染SD大鼠的骨髓間充質(zhì)干細胞，在轉(zhuǎn)染復數(shù)為100時達到最高轉(zhuǎn)染率（70%）。轉(zhuǎn)染細胞131IFIAU攝取率與腺病毒滴度和轉(zhuǎn)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(jīng)尾靜脈注射Ad5-TGF后，SD大鼠的腫瘤區(qū)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(fā)、轉(zhuǎn)移中的關鍵因素，對腫瘤干細胞的監(jiān)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(tài)單壁碳納米管載體用于監(jiān)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(qū)域，同時實現(xiàn)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(fā)生率高，心血管急癥往往病情兇險，預后評估及治療監(jiān)測方法有限。粥樣硬化斑塊尤其是不穩(wěn)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(tài)分子探針已用于鑒定粥樣斑塊性質(zhì)、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(wěn)定性是評估冠心病風險的一個重要方面，傳統(tǒng)的血管造影并不能鑒別穩(wěn)定斑塊和易損斑塊。斑塊內(nèi)巨噬細胞的聚集密度和區(qū)域與斑塊的穩(wěn)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(tài)成像，PET用于顯示巨噬細胞聚集區(qū)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(tài)量子點-碘油乳劑，該雙模態(tài)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(nèi)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(nèi)的巨噬細胞，實現(xiàn)斑塊的雙模態(tài)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(tài)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(nèi)噬，增強粥樣斑塊的MR和光聲信號。多模態(tài)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(yōu)勢[19]。

3 多模態(tài)顯像設備的發(fā)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(nèi)，PET通過探測示蹤劑在人體內(nèi)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(shù)據(jù)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(yī)學影像技術的發(fā)展，螺旋CT由最初的單層探測器發(fā)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(jiān)測治療效果；冠狀動脈粥樣硬化的診斷、斑塊性質(zhì)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(jīng)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(zhuǎn)換為數(shù)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(tǒng)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(lián)合診斷優(yōu)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(zhì)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(shù)據(jù)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(tǒng)來維持溫度穩(wěn)定。SIMPS的溫度穩(wěn)定性、能量分辨率和時間分辨率均優(yōu)于APD[23]。此外，PET/MRI同機尚需解決雙模態(tài)探針、偽影處理、采集時間優(yōu)化、安全性評估[24]等問題。目前，GE、Philips、Siemens公司均有研發(fā)成功的PET/MRI設備，廣泛用于腫瘤的診斷、分期、療效評估、復發(fā)檢測、神經(jīng)退行性病變、癲癇、神經(jīng)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(jié)、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(yōu)于PET/MRI（P=0.016），PET/CT對淋巴結的病灶明晰性也明顯優(yōu)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(zhì)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(yōu)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(fā)展，多模態(tài)分子影像必將對生物、醫(yī)學、藥物等多個領域產(chǎn)生更深刻的影響，多模態(tài)分子成像不僅要求有先進的成像設備，更要求發(fā)展新型高效的分子探針。現(xiàn)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(tài)分子探針是未來發(fā)展的重要方向。