動(dòng)脈粥樣硬化分子影像研究進(jìn)展

牟雅琳， 陳笑梅， 劉 旋， 劉 剛

(廈門大學(xué) 公共衛(wèi)生學(xué)院 分子影像暨轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究中心， 福建 廈門 361102)

動(dòng)脈粥樣硬化主要累及大中型動(dòng)脈及動(dòng)脈分叉處，導(dǎo)致動(dòng)脈管壁增厚變硬、失去彈性、管腔狹窄，其病情進(jìn)展隱匿突發(fā)，一般出現(xiàn)臨床病癥已是疾病中晚期[1]，臨床表現(xiàn)主要以受累器官病變?yōu)橹?，如缺血性腦卒中、急性心肌梗死等已成為人類頭號殺手[2]。而現(xiàn)有的診斷方式不足以篩查出早期高風(fēng)險(xiǎn)病變，因此，利用具有高空間分辨率和靈敏度的無創(chuàng)性分子影像技術(shù)，對斑塊破裂風(fēng)險(xiǎn)高的病人做出及時(shí)診斷和監(jiān)測至關(guān)重要[3]。越來越多的科研工作者致力于研究通過靶向斑塊不同的分子和細(xì)胞結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)斑塊的檢測、動(dòng)態(tài)監(jiān)控和診療一體化的分子探針[4]，它已成為一種對斑塊進(jìn)行早期診療的新方法。

1 動(dòng)脈粥樣硬化病理過程

動(dòng)脈粥樣硬化是一種脂質(zhì)沉積于血管壁的慢性炎癥性疾病[5]，以血管內(nèi)皮損傷為基礎(chǔ)、血管慢性炎癥為特征，具有變質(zhì)、滲出和增生等炎癥的基本特征。病變初期血液中脂質(zhì)代謝紊造成內(nèi)皮損傷，單核細(xì)胞通過內(nèi)皮間隙進(jìn)入到內(nèi)膜下分化為巨噬細(xì)胞，巨噬細(xì)胞通過其清道夫受體吞噬大量被氧化修飾的氧化低密度脂蛋白(OX-LDL)，形成大的液泡脂質(zhì)小滴貯存在巨噬細(xì)胞中[6]，最終形成泡沫細(xì)胞。泡沫細(xì)胞在血管壁上堆積形成脂質(zhì)斑塊，造成血管管腔狹窄[7]，最終導(dǎo)致供血臟器因缺血缺氧而出現(xiàn)一系列病變。同時(shí)泡沫細(xì)胞分泌組織因子、基質(zhì)金屬蛋白酶(Matrix metalloproteinase, MMP)等促炎因子[8]，加速降解纖維帽中的基質(zhì)蛋白和細(xì)胞外基質(zhì)，使纖維帽變薄，導(dǎo)致斑塊不穩(wěn)定易于破裂。斑塊一旦發(fā)生破裂，將導(dǎo)致一系列如急性心肌梗死、腦卒中等惡性心血管事件，嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量[9]。

2 分子影像與動(dòng)脈粥樣硬化

2.1 動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的生物靶標(biāo)

動(dòng)脈粥樣硬化病理生理發(fā)展過程中可作為斑塊生物靶標(biāo)的主要有：

(1) 內(nèi)皮細(xì)胞：由于動(dòng)脈彎曲和分支點(diǎn)的內(nèi)皮層始終暴露于血流的不斷沖擊中，刺激內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)促炎因子和粘附分子，使循環(huán)于血液中的單核細(xì)胞、脂蛋白更容易穿透動(dòng)脈壁積聚在內(nèi)膜上[10]。血管細(xì)胞粘附分子-1(Vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1)是靶向遞送至動(dòng)脈粥樣硬化斑塊最常見的生物標(biāo)志物，其通過促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)參與炎癥細(xì)胞向活化內(nèi)皮表面的募集。已有報(bào)道顯示噬菌體展示文庫技術(shù)成功篩選靶向VCAM-1的配體多肽[11](如表1所示)。

(2) 炎癥細(xì)胞：巨噬細(xì)胞的浸潤發(fā)生于整個(gè)動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生發(fā)展過程中，鑒于它們在斑塊中的豐富程度、可攝取大量納米顆粒，最終因發(fā)生細(xì)胞凋亡和繼發(fā)性壞死而形成脂質(zhì)核心，使其成為靶向斑塊最常見的免疫細(xì)胞[12]，作為生物標(biāo)志物最常見的是清道夫受體[13]，例如，A類清道夫受體(MSR-1)和B類清道夫受體(SR-BI或CD-36)用于識別和內(nèi)化OX-LDL；硫酸葡聚糖(MSR-1的配體)廣泛用作NP核的涂層材料用于靶向斑塊；LDL模擬肽，如載脂蛋白A1(ApoA-1)也是靶向斑塊巨噬細(xì)胞的常見配體(如表2所示)。

(3) 非細(xì)胞成分：斑塊非細(xì)胞成分作為生物靶標(biāo)最常見的是膠原蛋白[14]，作為細(xì)胞外基質(zhì)的關(guān)鍵部分，膠原調(diào)節(jié)細(xì)胞反應(yīng)有助于纖維帽的強(qiáng)度和完整性[15]，噬菌體展示文庫篩選鑒定的肽,可用于靶向血管基底膜上大量存在的膠原蛋白Ⅳ(由于血管損傷期間滲透性增加而暴露)，并且可構(gòu)建含有肽的聚合物，金和脂蛋白NP[16]，用于靶向動(dòng)脈粥樣硬化斑塊內(nèi)的膠原蛋白(如表3所示)。

表1 靶向斑塊血管細(xì)胞成分

表2 靶向斑塊炎癥細(xì)胞

表3 靶向斑塊非細(xì)胞成分

2.2 生物納米材料與動(dòng)脈粥樣硬化

近年來，隨著分子影像技術(shù)的發(fā)展，心血管分子影像技術(shù)在動(dòng)脈粥樣硬化斑塊成像等方面的研究中取得了較大進(jìn)展(如表4所示)[28]，越來越多的科研工作者致力于將生物納米材料作為靶向動(dòng)脈粥樣硬化斑塊特異性載體的研究[44]，主要有三方面的原因：

(1) 生物納米材料特殊的理化性質(zhì)及其納米結(jié)構(gòu)在斑塊巨噬細(xì)胞成像中優(yōu)勢明顯[45]。如近紅外熒光成像(Near infrared fluorescence imaging，NIRF)的量子點(diǎn)、X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(Computed tomography imaging，CT)的金納米粒子、磁共振成像(Magnetic resonance imaging，MRI)的氧化鐵納米顆粒和含釓(Gd3+)的納米顆粒、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)體層顯像(Single photon emission computed tomography，SPECT)的放射性示蹤劑標(biāo)記的聚合物納米顆粒等。

(2) 生物納米材料可修飾多種特異性靶向斑塊組織或細(xì)胞的生物分子[46]。如Nahrendorf等[18]研發(fā)了肽聚合的磁性納米顆粒，它能靶向由內(nèi)皮細(xì)胞和巨噬細(xì)胞表達(dá)的VCAM-1，實(shí)現(xiàn)近紅外熒光成像和磁共振成像，尾靜脈注射到ApoE-/-小鼠體內(nèi)，觀察到主動(dòng)脈根部的斑塊內(nèi)有NP升高的信號； TRPV1抗體偶聯(lián)的硫化銅(CuS)NP尾靜脈注射到ApoE-/-小鼠體內(nèi)[24]，靶向血管平滑肌細(xì)胞上的TRPV1，引起溫度敏感的TRPV1信號通路打開，從而達(dá)到抗動(dòng)脈粥樣硬化的效果。

(3) 生物納米材料可裝載大劑量造影劑或治療藥物[47]，利用其在體內(nèi)長效循環(huán)和主動(dòng)靶向斑塊的優(yōu)勢，將藥物高效遞送至斑塊部位[48]。如Mishra等[49]將d-蘇氨酸-1-苯基-2-癸酰氨基-3-嗎啉代-1-丙醇(一種糖鞘脂合成抑制劑)裝載進(jìn)聚合物NP中，注射到ApoE-/-小鼠體內(nèi)可使其血液循環(huán)量提高50倍；帥心濤等[50]制備了由聚乙二醇和聚丙烯硫化物(PEG-PPS)的嵌段共聚物組裝的納米膠束裝載穿心蓮內(nèi)酯，由于PEG-PPS的活性氧(Reactive oxygen species，ROS)響應(yīng)性質(zhì)，膠束可快速釋放包封的藥物穿心蓮內(nèi)酯，并且在斑塊處消耗ROS，有效抑制促炎因子的表達(dá)，減輕斑塊處的氧化應(yīng)激，從而降低炎癥反應(yīng)以達(dá)到治療效果。

表4 動(dòng)脈粥樣硬化成像技術(shù)的總結(jié)

2.3 核磁共振成像(Magnetic resonance imaging，MRI)

MRI具有分辨率高、軟組織對比度和信噪比高的優(yōu)點(diǎn)，患者無需暴露在電離輻射中，適用于易損斑塊的診斷和斑塊穩(wěn)定性的評估[51]。最常見的MRI造影劑是基于氧化鐵NP[52](T1、T2加權(quán)成像)和含釓(Gd)的NP(T1加權(quán)成像)，為了更好地利用其超順磁性，氧化鐵NP的尺寸保持在20 nm以下[53]。這種超順磁氧化鐵納米顆粒(SPIONs)[39]，表面經(jīng)葡聚糖包被可展示靶向斑塊各種成分的多肽、抗體、蛋白質(zhì)等。使用CD81靶向的氧化鐵微粒(CD81-microparticles of iron oxide,CD81-MPIO)用于小鼠動(dòng)脈粥樣硬化的MRI成像顯示在ApoE-/-小鼠主動(dòng)脈根部T2弛豫時(shí)間明顯縮短[54]；單核細(xì)胞靶向的氧化鐵磁性納米顆粒(MNPs)，其來源于趨化因子受體2(CCR2)可結(jié)合單核細(xì)胞趨化蛋白-1(MCP-1)的基序肽，通過MRI成像實(shí)現(xiàn)對動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的診斷[55]。

2.4 CT成像(Computed tomography imaging)

CT成像可實(shí)現(xiàn)整個(gè)心臟，冠狀動(dòng)脈和鈣化斑塊的快速、高分辨率圖像采集[56]。碘化聚合物膠束是用于脈管系統(tǒng)可視化的主流造影劑，它比自由分子在體內(nèi)循環(huán)時(shí)間長[57]。近年來報(bào)道的金納米顆粒靶向動(dòng)脈粥樣硬化斑塊中， Chhour等[58]并沒有將AuNPs直接注入血液中，而是用金NP標(biāo)記原代單核細(xì)胞，然后將這些AuNP標(biāo)記的單核細(xì)胞轉(zhuǎn)移到ApoE-/-小鼠中追蹤它們向斑塊的遷移，結(jié)果顯示金標(biāo)記的單核細(xì)胞募集到斑塊中，實(shí)現(xiàn)了將納米顆粒注射到ApoE-/-小鼠中完成的CT成像；Damiano等[59]研發(fā)的金聚合高密度脂蛋白(Au-HDL)造影劑，可通過光譜CT系統(tǒng)檢測ApoE-/-小鼠斑塊的巨噬細(xì)胞負(fù)荷，斑塊的鈣化和狹窄。

2.5 近紅外熒光成像(Near infrared fluorescence imaging)

NIRF成像靈敏度高，具有近紅外熒光發(fā)射的NP或染料分子經(jīng)過修飾可靶向斑塊，是可用于熒光成像的雙功能生物納米材料[60]。如用Cy5.5標(biāo)記的靶向內(nèi)皮細(xì)胞的肽綴合殼聚糖NP[21]、靶向巨噬細(xì)胞抗體標(biāo)記的NaGdF4∶Yb/Er @ NaGdF4上轉(zhuǎn)換NP[61]等；Marrache和Dhar[62]制備了含有載脂蛋白模擬肽的HDL合成NP，裝載近紅外量子點(diǎn)，用于NIRF成像；Sun等[63]制備的基于猿猴病毒40(SV40)的NPs，融合表達(dá)纖維蛋白靶向肽，通過將量子點(diǎn)封裝在SV40的NP中，在深層組織中實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)更高、光穩(wěn)定性和檢測靈敏度更好的近紅外熒光成像；滕皋軍等[64]將抗小鼠ox-LDL多克隆抗體與NIR797染料綴合生成ox-LDL靶向的NIRF探針，實(shí)現(xiàn)了基于ox-LDL的斑塊分子成像，并且提供了表征易損斑塊和監(jiān)測動(dòng)脈粥樣硬化治療干預(yù)的重要方法。

2.6 正電子發(fā)射斷層掃描(Positron-emission tomography，PET)和單光子發(fā)射CT(Single photon emission CT，SPECT)

核素成像中，PET和SPECT與CT相比，可用更少量的造影劑實(shí)現(xiàn)更高靈敏度的成像[65]，因此，放射性NP造影劑的設(shè)計(jì)應(yīng)具有循環(huán)周期長、靈敏度高的特點(diǎn)，可提高多模態(tài)成像分辨率。PET/MRI是表征易損斑塊的常用方法，通常需要用64Cu[66]或89Zr標(biāo)記的葡聚糖包裹氧化鐵NP[67]，例如，Beldman等[68]用89Zr標(biāo)記的乙酰透明質(zhì)酸NPs(89Zr-HA NPs)代替葡聚糖NPs作為載體，PET和MRI結(jié)合可檢測新西蘭白兔動(dòng)脈粥樣硬化斑塊，由于HA-NPs可富集于斑塊巨噬細(xì)胞中，在注射12 h后，89Zr-HA NPs在斑塊處可產(chǎn)生信號，注射后24 h主動(dòng)脈中的最大攝取量比骨骼肌高6倍；锝-99m(99mTc-HFn)放射性標(biāo)記的天然H-鐵蛋白納米籠[69]可通過SPECT和CT結(jié)合準(zhǔn)確鑒定ApoE-/-小鼠中富含巨噬細(xì)胞的斑塊；單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)體層顯像(SPECT)的放射性示蹤劑標(biāo)記的聚合物納米顆粒，可與心房利鈉肽(CANF)結(jié)合，并用64Cu標(biāo)記生物相容的PEG甲基丙烯酸酯(PEGMA)共聚物梳狀納米顆粒，檢測ApoE-/-小鼠中的斑塊[70]；由于葉酸受體β(FR-β)在巨噬細(xì)胞上選擇性表達(dá)，F(xiàn)R靶向成像劑可用于評估動(dòng)脈粥樣硬化炎癥，用氟化鋁-18標(biāo)記的1,4,7-三氮雜環(huán)壬烷-1,4,7-三乙酸共軛葉酸(18F-FOL)，通過 PET/CT靶向檢測FR-β陽性巨噬細(xì)胞，用于檢測動(dòng)脈粥樣硬化斑塊炎癥[71]。

2.7 超聲成像(Ultrasound imaging)

傳統(tǒng)的二維超聲檢查可快速測量頸動(dòng)脈斑塊的大小、內(nèi)中膜厚度，甚至斑塊表面的潰瘍和出血，但仍缺乏對斑塊成分定性和定量的分析，并且檢查結(jié)果易受到操作者經(jīng)驗(yàn)及熟練度等因素影響[72]。由于超聲造影劑微泡的大小類似于人體紅細(xì)胞，具有紅細(xì)胞的血流動(dòng)力學(xué)特征[73]，它可順利進(jìn)入頸動(dòng)脈斑塊微血管內(nèi)使其快速顯像[74]。超聲分子成像的目的是將這些微泡特異性附著到相關(guān)靶標(biāo)上，從而實(shí)現(xiàn)分子水平的超聲成像[75]。全氟化碳暴露的超聲波葡萄糖白蛋白(PESDA)微泡在豬動(dòng)脈粥樣硬化模型中附著于發(fā)炎、功能失調(diào)的內(nèi)皮細(xì)胞，同樣在早期主動(dòng)脈粥樣硬化大鼠模型中PESDA微泡的信號增加[76]，而PESDA微泡的附著是補(bǔ)體介導(dǎo)的，補(bǔ)體耗盡會(huì)減少靶向信號[77]；在ApoE-/-小鼠早期病變中證實(shí)了P-選擇素依賴性單核細(xì)胞的富集，并且有P-選擇素表達(dá)的超聲分子成像也在早期斑塊的檢測中得到了驗(yàn)證[78]。

3 展望

分子影像及納米技術(shù)為動(dòng)脈粥樣硬化的早期無創(chuàng)診療帶來了新的可能性,它能夠在分子和細(xì)胞水平上對斑塊進(jìn)行定性和定量的研究，是傳統(tǒng)影像學(xué)的進(jìn)階發(fā)展。然而，想要進(jìn)一步提高分子影像早期診斷的靈敏度、特異性，生物相容性好的探針必不可少。理想的探針應(yīng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1) 靈敏度高，能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的信號；(2) 對于靶點(diǎn)有高的親和力和特異性；(3) 生物相容性好，可通過肝腎代謝途徑能在體內(nèi)徹底清除[79]。這些特征與納米顆粒的尺寸、理化性質(zhì)、穩(wěn)定性等諸多因素都密切相關(guān)[80]，因此，這類探針在應(yīng)用于臨床前，需要經(jīng)過嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)保證其安全性和實(shí)用性。

隨著納米探針的設(shè)計(jì)和成像技術(shù)的不斷進(jìn)步，分子影像技術(shù)在心血管疾病的診斷與精準(zhǔn)治療方面展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?，定能為心血管病的診斷與治療開辟新的領(lǐng)域。各種無創(chuàng)影像技術(shù)成像原理不同、成像方法不同、每種技術(shù)敏感性和特異性不同，因此，多種方法可以靈活地加以聯(lián)合應(yīng)用，這將大大提高對斑塊診斷的準(zhǔn)確率，具有很好的發(fā)展前景。

致謝：感謝國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2017YFA0205201)、國家自然科學(xué)基金(NSFC)(81422023, 51273165，U1705281,U1505221)和教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(ncet-13-0502)的支持。