腫瘤分子影像學(xué)：進(jìn)展及挑戰(zhàn)

盧光明 江澤飛 蔡惠明 張龍江

惡性腫瘤是導(dǎo)致人類死亡的第二大“殺手”，嚴(yán)重威脅著人類的健康[1]。腫瘤精準(zhǔn)醫(yī)療提倡實(shí)現(xiàn)精確、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的腫瘤分類與診斷，并制定個(gè)體化的腫瘤預(yù)防和治療方案[2-3]。因此，發(fā)展高精準(zhǔn)的腫瘤診療技術(shù)是現(xiàn)代腫瘤醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要方向。分子影像技術(shù)的應(yīng)用可在腫瘤發(fā)生解剖形態(tài)學(xué)改變前檢測(cè)出病變基因或蛋白水平的異常，在腫瘤的超早期診斷方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前分子影像技術(shù)的應(yīng)用已從單純的腫瘤診斷延伸到診療一體化領(lǐng)域，展現(xiàn)出良好的前景[4]。隨著學(xué)科的發(fā)展和交叉學(xué)科的加強(qiáng)，以及多學(xué)科背景科研人員的介入，在尋找高敏感的靶分子、構(gòu)建高特異的顯像探針和建立高分辨力的成像方法上均取得重要進(jìn)展，大量探索性工作正推動(dòng)著分子影像技術(shù)快速地邁向臨床轉(zhuǎn)化領(lǐng)域。本文以構(gòu)建高敏感、高特異的顯像探針為重點(diǎn)，闡述了近年來腫瘤分子影像學(xué)的進(jìn)展及挑戰(zhàn)。

1 分子影像在腫瘤診斷中的研究

1.1 分子影像在腫瘤微環(huán)境成像中的應(yīng)用

1.1.1 腫瘤新生血管成像 腫瘤新生血管是腫瘤微環(huán)境的重要組成部分。腫瘤在生長過程中會(huì)釋放促血管生長因子，形成不成熟的血管網(wǎng)，為腫瘤獲取營養(yǎng)和轉(zhuǎn)移提供通道。腫瘤新生血管中較常用的靶標(biāo)包括整合素αvβ3和血管內(nèi)皮生長因子受體（vascular endothelial growth factor receptor，VEGFR）等。Chen 等[5]在量子點(diǎn)表面連接VEGF，并同時(shí)修飾64Cu，對(duì)腫瘤新生血管進(jìn)行了光學(xué)和PET 雙模態(tài)成像；Nie 等[6]在金納米星表面修飾RGD 多肽，發(fā)現(xiàn)其可以靶向膠質(zhì)瘤新生血管表面的整合素αvβ3，并進(jìn)行高分辨光聲成像，實(shí)現(xiàn)在治療后早期腫瘤體積改變前評(píng)價(jià)治療療效。Wu 等[7]進(jìn)一步通過18F 修飾的RGD 多肽（阿爾法肽Ⅱ）與18F-FDG 聯(lián)合，對(duì)乳腺癌病人進(jìn)行腫瘤新生血管成像，顯著提高了診斷的敏感性。目前腫瘤新生血管已逐步成為臨床腫瘤特異性分子成像的新靶點(diǎn)，并在腫瘤的早期精準(zhǔn)診斷和療效的早期評(píng)價(jià)中發(fā)揮重要作用。

1.1.2 腫瘤酸性微環(huán)境成像 腫瘤生長主要依賴糖代謝，而腫瘤新生血管的輸送效率低，因此糖代謝產(chǎn)生的乳酸在腫瘤微環(huán)境中持續(xù)堆積，造成微環(huán)境酸化。通過設(shè)計(jì)對(duì)酸環(huán)境響應(yīng)的分子影像探針，可以在活體對(duì)弱酸性的腫瘤微環(huán)境進(jìn)行成像。例如，Wang 等[8]利用高分子聚合物構(gòu)建的熒光分子探針對(duì)酸性微環(huán)境進(jìn)行“關(guān)-開”的響應(yīng)成像，可將腫瘤局部熒光信號(hào)放大300 倍。Wang 等[9]和Tian 等[10]進(jìn)一步提出可逆響應(yīng)酸性微環(huán)境的“關(guān)-開-關(guān)”型多模態(tài)分子影像探針，通過隨pH 改變可逆響應(yīng)來控制探針對(duì)腫瘤細(xì)胞的親和力，在活體水平實(shí)現(xiàn)對(duì)乳腺癌等腫瘤的高特異性成像。由于腫瘤環(huán)境屬弱酸性，與正常組織pH 值相差在1 個(gè)pH 以內(nèi)，所以酸性微環(huán)境成像工作的難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)新型探針，以實(shí)現(xiàn)高敏感的pH 響應(yīng)及維持其在血液循環(huán)中的穩(wěn)定性。

1.1.3 腫瘤乏氧微環(huán)境成像 腫瘤細(xì)胞生長需要快速消耗氧氣，故腫瘤微環(huán)境普遍具有乏氧的特性。乏氧微環(huán)境促進(jìn)腫瘤放化療抵抗和轉(zhuǎn)移，是影響腫瘤預(yù)后的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子。分子影像技術(shù)可以無創(chuàng)實(shí)現(xiàn)全身腫瘤組織的乏氧成像。標(biāo)記放射性核素的咪唑類化合物（F-MISO）可以選擇性與乏氧腫瘤細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)等生物大分子結(jié)合，實(shí)現(xiàn)腫瘤乏氧的PET 成像。近紅外成像和光聲成像技術(shù)可以憑借血紅蛋白在近紅外波段的特殊光譜測(cè)量腫瘤組織血氧濃度，反映腫瘤的乏氧狀態(tài)，在腫瘤乏氧檢測(cè)中具有巨大的潛力。

1.1.4 腫瘤免疫微環(huán)境成像 免疫細(xì)胞是腫瘤微環(huán)境的重要組成成分。在腫瘤發(fā)生發(fā)展和治療的不同階段，腫瘤微環(huán)境中的免疫細(xì)胞類型、數(shù)量和功能狀態(tài)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的特征。通過分子影像技術(shù)觀察腫瘤微環(huán)境中免疫細(xì)胞的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)研究腫瘤免疫逃逸機(jī)制和指導(dǎo)免疫治療方案具有重要的意義。Qi 等[11]利用多種顏色的熒光素標(biāo)記免疫細(xì)胞，在黑色素瘤化療過程中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示腫瘤免疫微環(huán)境的改變，為優(yōu)化免疫治療提供了依據(jù)。Meir 等[12]利用膠體金標(biāo)記T 細(xì)胞，利用CT 成像技術(shù)追蹤T細(xì)胞在體內(nèi)的分布、遷移及動(dòng)力學(xué)。由于腫瘤組織內(nèi)免疫細(xì)胞的復(fù)雜多樣，利用分子影像技術(shù)顯示腫瘤免疫微環(huán)境不同組分的全景將是未來工作的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

1.1.5 腫瘤基質(zhì)成像 細(xì)胞外基質(zhì)是腫瘤細(xì)胞的支撐結(jié)構(gòu)，含有彈性蛋白、膠原蛋白、胞外基質(zhì)糖蛋白等物質(zhì)。腫瘤基質(zhì)中富含基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMP），可以降解和重塑腫瘤的細(xì)胞外基質(zhì)，被認(rèn)為是介導(dǎo)腫瘤轉(zhuǎn)移和侵襲的關(guān)鍵分子。通過構(gòu)建MMP 響應(yīng)性分子探針，可以檢測(cè)腫瘤組織中基質(zhì)金屬蛋白酶的表達(dá)水平，有望預(yù)測(cè)腫瘤轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn)。Chen 等[13]采用納米金顆粒裝載阿霉素和MMP-2 特異性多肽，當(dāng)探針進(jìn)入腫瘤基質(zhì)時(shí)，可以被特異性高表達(dá)MMP-2 切斷，并釋放阿霉素，實(shí)現(xiàn)腫瘤的靶向治療。

1.2 分子影像技術(shù)在腫瘤診斷中的應(yīng)用價(jià)值

1.2.1 腫瘤早期精準(zhǔn)診斷 腫瘤早期精準(zhǔn)診斷是改善腫瘤病人總體生存率的關(guān)鍵。分子影像技術(shù)能夠直接針對(duì)腫瘤細(xì)胞或細(xì)胞內(nèi)一些獨(dú)特分子進(jìn)行特征性顯像，可以在盡早的時(shí)間點(diǎn)精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)腫瘤病灶。當(dāng)前多種分子影像技術(shù)（如PET、MRI、光學(xué)分子成像技術(shù)等）已經(jīng)應(yīng)用于腫瘤早期精準(zhǔn)診斷，如生長抑素類似物標(biāo)記放射性核素類分子影像探針，通過PET 等設(shè)備可以獲得高對(duì)比度的腫瘤影像，對(duì)微小和轉(zhuǎn)移病灶的精準(zhǔn)診斷具有較高的特異性和敏感性，該技術(shù)目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化[4]。此外，基于自體熒光的光學(xué)分子成像技術(shù)對(duì)胃腸道腫瘤的早期診斷具有較高的敏感性和特異性。

1.2.2 腫瘤分子分型 隨著高通量測(cè)序和組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，腫瘤分子分型成為腫瘤精準(zhǔn)診療研究的熱點(diǎn)。分子影像技術(shù)可以基于多尺度顯像動(dòng)態(tài)觀察腫瘤細(xì)胞和間質(zhì)成分的生物學(xué)信息，在腫瘤影像分子分型領(lǐng)域具有巨大的潛力。Sun 等[14]成功構(gòu)建了18F-MPG，通過PET 成像能夠?qū)崟r(shí)、動(dòng)態(tài)、精準(zhǔn)識(shí)別肺癌表皮生長因子受體分型，從而指導(dǎo)臨床靶向藥物治療的決策，預(yù)測(cè)并評(píng)價(jià)癌癥靶向治療效果。Liu等[15]報(bào)道了一類基于核酸的適配體，一定程度上實(shí)現(xiàn)了乳腺癌分子分型，對(duì)指導(dǎo)乳腺癌的治療具有一定的價(jià)值。盡管分子影像技術(shù)在腫瘤分子分型中的研究尚處于起步階段，但其精準(zhǔn)、無創(chuàng)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)評(píng)估的優(yōu)勢(shì)已日趨顯現(xiàn)。

1.2.3 轉(zhuǎn)移病灶檢測(cè) 轉(zhuǎn)移灶的診斷和治療面臨較多的挑戰(zhàn)，如病灶體積小、呈現(xiàn)多樣性和易轉(zhuǎn)移到不同組織器官。PET/CT、PET/MRI 等雙模態(tài)成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了功能代謝與解剖形態(tài)學(xué)影像的融合，可全面、直觀、準(zhǔn)確地反映腫瘤病人的腫瘤分布、代謝、轉(zhuǎn)移、分期等情況，顯著提高對(duì)轉(zhuǎn)移病灶檢出的敏感性和特異性。

1.2.4 腫瘤的術(shù)中導(dǎo)航 術(shù)中腫瘤邊界和淋巴結(jié)是否受累的判斷是腫瘤手術(shù)治療的難題。分子影像技術(shù)可以通過術(shù)中影像為腫瘤精準(zhǔn)切除提供導(dǎo)航。目前可應(yīng)用于術(shù)中導(dǎo)航的分子影像技術(shù)包括光學(xué)、MRI、超聲等，尤其是光學(xué)分子影像技術(shù)已經(jīng)在乳腺癌、肝癌和腦膠質(zhì)瘤等腫瘤手術(shù)中實(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化。如Chi 等[16]利用自主研發(fā)的光學(xué)分子影像導(dǎo)航系統(tǒng)，利用一類安全的熒光示蹤染料吲哚菁綠（ICG）實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地檢測(cè)乳腺前哨淋巴結(jié)。熒光標(biāo)記的5-氨基乙酰丙酸應(yīng)用于惡性膠質(zhì)瘤術(shù)中導(dǎo)航的Ⅲ期臨床試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該方法在切除腫瘤的同時(shí)最大限度地保護(hù)了腦組織，顯著延長了病人無進(jìn)展生存期[17]。

1.2.5 腫瘤的療效評(píng)估 基于腫瘤大小的實(shí)體瘤療效評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有一定的滯后性，而且對(duì)分子靶向治療和免疫治療效果評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性有待提高。分子影像技術(shù)能夠顯示治療后腫瘤分子水平變化，有望更早更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)療效。例如18F-FLT、11C-thymidine和11C-MET 可分別示蹤細(xì)胞內(nèi)DNA 合成和氨基酸轉(zhuǎn)移水平，反映在體腫瘤細(xì)胞增殖狀態(tài)，進(jìn)而在分子水平檢測(cè)放療或化療藥物的療效，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整治療方案，避免過度治療。

2 分子影像在腫瘤治療中的研究

2.1 在藥物遞送與多藥耐藥中的作用 由于腫瘤血管不成熟、組織間液壓高，造成抗腫瘤藥物難以在腫瘤組織富集。納米分子探針既可以作為藥物載體，增加藥物腫瘤組織聚集，降低其毒副作用；還能在體內(nèi)顯像，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、定量、無創(chuàng)地評(píng)價(jià)藥物分布。上海藥物研究所藥物制劑中心將硫酸乙酰肝素與多西他賽自組裝成HS-DTX 分子，隨后用紅細(xì)胞膜將其包裹，形成仿生納米遞送系統(tǒng)rHS-DTX，實(shí)現(xiàn)了藥物在腫瘤原發(fā)部位及轉(zhuǎn)移灶的靶向遞送，同時(shí)還降低了對(duì)正常組織器官的毒性[18]。

腫瘤細(xì)胞多藥耐藥是導(dǎo)致治療失敗的主要原因。分子外排轉(zhuǎn)運(yùn)體（MDR1,P-gp 等）能顯著降低腫瘤細(xì)胞內(nèi)的藥物濃度，是多藥耐藥的重要機(jī)制之一。Ni 等[19]開發(fā)了核酸-聚合物自組裝技術(shù)，利用短發(fā)夾結(jié)構(gòu)RNA 對(duì)耐藥基因的沉默作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)乳腺癌耐藥行為的逆轉(zhuǎn)，顯著提升了抗乳腺癌藥物的治療效果。此外，納米分子探針可以有效地保護(hù)藥物不被外排轉(zhuǎn)運(yùn)體排出腫瘤細(xì)胞，從而提高耐藥腫瘤的治療效果。

2.2 在免疫治療中的作用 近年來，腫瘤免疫治療無論在基礎(chǔ)研究還是臨床試驗(yàn)中都取得了顯著的進(jìn)展，是治療腫瘤的新手段。目前針對(duì)免疫檢查點(diǎn)[如細(xì)胞毒性T 淋巴細(xì)胞相關(guān)抗原4（CTLA-4）和程序性死亡分子1 及其配體（PD-1/PD-L1）]的抑制劑均在腫瘤治療中取得了“突破性”的效果。然而，由于部分腫瘤免疫源性低、浸潤免疫細(xì)胞“無能”，并不是所有病人都對(duì)免疫治療敏感。具有診療一體化功能的納米探針，憑借其自身的理化特性和易于修飾的優(yōu)勢(shì)，可作為免疫治療藥物載體、疫苗或免疫佐劑，顯著提高免疫治療的療效；為病人篩選、療效檢測(cè)、治療方案優(yōu)化、預(yù)后評(píng)估提供了新方法。盧光明和陳小元等開發(fā)的雙佐劑-新抗原納米疫苗，通過DNA 佐劑、小分子藥物佐劑以及多肽新抗原逐步組裝和裝載，顯著提高了針對(duì)結(jié)直腸癌的腫瘤新抗原的體內(nèi)免疫活性[20]；且通過聯(lián)合免疫檢查點(diǎn)抑制劑，有效實(shí)現(xiàn)清除腫瘤病灶以及防止腫瘤復(fù)發(fā)的免疫治療效果。

2.3 在光治療中的作用 光治療具有極好的空間選擇性，是近年來腫瘤精準(zhǔn)治療研究的熱點(diǎn)方向之一。大部分光治療藥物本身具有成像能力，例如光治療使用的光敏劑大部分具有熒光成像能力；光熱治療使用的納米探針也具有光聲成像能力。因此，光治療非常適合在分子影像技術(shù)導(dǎo)航下開展。光治療的缺點(diǎn)在于激光穿透深度較淺，不適用于深部腫瘤。解決這一問題可能方案包括：①采用有創(chuàng)性光纖插入腫瘤，將光引入深部腫瘤[21]；②將光熱治療作為術(shù)中或術(shù)后輔助治療手段，利用手術(shù)切口將光引入[22]；③使用近紅外Ⅱ區(qū)光源或X 線代替?zhèn)鹘y(tǒng)激發(fā)光源[23]。

3 腫瘤分子影像面臨的挑戰(zhàn)和展望

3.1 分子靶標(biāo)的選擇 分子靶標(biāo)可以特異性地反映腫瘤發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移密切相關(guān)的生物分子。通過分子影像探針標(biāo)記分子靶標(biāo)后，臨床醫(yī)師可以通過影像直觀地評(píng)價(jià)腫瘤及其對(duì)治療的反應(yīng)。常見的腫瘤分子靶標(biāo)可以按其與細(xì)胞的相對(duì)位置分為細(xì)胞外（如腫瘤微環(huán)境）、細(xì)胞膜（如腫瘤特異性受體）和細(xì)胞內(nèi)（如腫瘤特異表達(dá)的基因）靶標(biāo)。目前，細(xì)胞外和細(xì)胞膜分子靶標(biāo)的標(biāo)記方法相對(duì)較成熟，但在活體水平對(duì)腫瘤細(xì)胞內(nèi)的靶標(biāo)進(jìn)行標(biāo)記仍然是一個(gè)難題。如何使探針穿過細(xì)胞膜靶向特定的分子靶標(biāo)，同時(shí)保證探針本身的安全性，仍有待探索。

3.2 分子探針的研發(fā) 分子探針是指能夠與特定生物分子（分子靶標(biāo)）特異性結(jié)合，并提供影像學(xué)信息的物質(zhì)。構(gòu)建合適的分子探針決定了分子影像的特異性、敏感性和分辨力。目前分子探針的發(fā)展迅速，其不僅可以進(jìn)行核醫(yī)學(xué)、MRI、光學(xué)、超聲等單模態(tài)的成像，還可以將2 種及以上的成像方法融合，進(jìn)行多模態(tài)成像。此外，分子探針還可以在成像的同時(shí)進(jìn)行治療，達(dá)到診療一體化的效果。但是，如何針對(duì)臨床問題設(shè)計(jì)安全高效的探針，實(shí)現(xiàn)不同模態(tài)不同功能之間的有機(jī)互補(bǔ)，是分子探針轉(zhuǎn)化必須考慮的問題。

3.3 分子影像與人工智能 人工智能技術(shù)，特別是深度學(xué)習(xí)技術(shù)，為評(píng)價(jià)分子探針與細(xì)胞的相互作用，甚至分子探針在腫瘤活體模型中的分布提供了新手段。例如，Zhang 等[24]通過生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了預(yù)測(cè)納米探針在腫瘤內(nèi)部分布的工作GANDA（Generative Adversarial Network for Distribution Analysis），準(zhǔn)確率可以達(dá)到93%。這些工作有望用于深入挖掘分子影像中的潛在有效信息，從而為腫瘤分子事件的判讀提供更精準(zhǔn)的信息。

3.4 臨床轉(zhuǎn)化的困惑 腫瘤分子影像作為新興技術(shù)，無論是高特異分子影像探針還是新型高分辨成像設(shè)備等均有巨大轉(zhuǎn)化應(yīng)用前景。但是，腫瘤分子影像技術(shù)，特別是分子影像探針，面臨工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化制備難，臨床轉(zhuǎn)化審批難等挑戰(zhàn)。因此，腫瘤分子影像探針轉(zhuǎn)化研究迫切需要以具體的臨床問題為導(dǎo)向，尋找具有成藥可能性的探針制備方案，積極推動(dòng)審批流程的科學(xué)管理，從而使分子影像探針真正擁有高效、無創(chuàng)、安全的品質(zhì)，盡早實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和臨床應(yīng)用，更好地服務(wù)廣大病人。

總之，作為一門交叉學(xué)科，分子影像技術(shù)要更好、更快地實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)研究向臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，需要多學(xué)科背景的科研工作者之間的相互緊密合作。相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，分子影像技術(shù)必定會(huì)為攻克腫瘤創(chuàng)造新的希望。