細(xì)菌感染成像的研究進展

張亞青，李林瑤，郝夢琪，羅 沁，鄧思雨，楊 蕓，梁雪微，方威威，宋爾群

（1.西南大學(xué)藥學(xué)院,發(fā)光分析與分子傳感教育部重點實驗室,重慶400715；2.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,重慶400715）

細(xì)菌感染引起的許多重大疾病在全球范圍內(nèi)造成了顯著提高的死亡率.1928年，青霉素被發(fā)現(xiàn)并引入臨床成為現(xiàn)代醫(yī)療系統(tǒng)的基石，此后，多種抗生素被發(fā)現(xiàn)和發(fā)展用于抵抗致病菌引起的感染.但抗生素的濫用使得多種耐藥細(xì)菌如耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）及耐萬古霉素腸球菌（VRE）等的出現(xiàn)和傳播，進而導(dǎo)致侵襲性、危及生命的疾病病例數(shù)量急劇增加［1，2］.據(jù)美國疾病控制與預(yù)防中心估計，每年有超過200萬人會遭受抗生素耐藥性細(xì)菌感染［3］.由耐多藥細(xì)菌所引起的疾病發(fā)病率的不斷上升不僅對公眾健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，同時也造成了巨大的醫(yī)療壓力.

造成抗生素濫用的主要原因之一是細(xì)菌感染早期精準(zhǔn)診斷技術(shù)的匱乏.目前，臨床細(xì)菌感染主要是通過血液檢查和組織活檢診斷，這些診斷方法操作復(fù)雜、效率低并且有創(chuàng).近年來，一些實時、無創(chuàng)的細(xì)菌感染體內(nèi)成像方法蓬勃發(fā)展，如計算機斷層掃描（CT）、正電子發(fā)射斷層掃描（PET）、超聲成像（US）及磁共振成像（MRI）等.這些方法可提供感染部位高分辨圖像，但不易于區(qū)分非細(xì)菌炎癥感染.具有高靈敏度特性的熒光成像（FL）被廣泛用于細(xì)菌檢測，但由于其穿透深度的限制只能用于淺層組織成像.這些成像技術(shù)各具優(yōu)缺點，為取長補短，越來越多的研究傾向于將兩種或多種成像技術(shù)結(jié)合起來，以實現(xiàn)組織多模態(tài)成像［4，5］.

分子影像是醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和分子生物學(xué)、材料科學(xué)及生物工程學(xué)等相結(jié)合用于顯示活體內(nèi)細(xì)胞和分子水平生物學(xué)過程的新技術(shù).與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像手段相比，分子影像的特點在于可將基因表達(dá)、生物信號傳遞等復(fù)雜的過程變成直觀的圖像，提供以解剖結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)、以分子水平為基準(zhǔn)的疾病發(fā)生和發(fā)展的定位、定性、定量信息，為疾病分期診斷提供準(zhǔn)確依據(jù)，從而實現(xiàn)疾病的早期和準(zhǔn)確診斷.開展體內(nèi)細(xì)菌成像探針的研發(fā)是實現(xiàn)細(xì)菌感染早期檢測的重要前提，也是目前的分子影像領(lǐng)域重要研究方向之一.本文綜合評述了目前細(xì)菌感染成像探針及相關(guān)技術(shù)的研究進展，并對細(xì)菌活體成像的未來發(fā)展方向進行討論，以期為細(xì)菌感染檢測方法的發(fā)展提供參考.

1 單模態(tài)成像

1.1 計算機斷層掃描

CT成像技術(shù)由于具有掃描速度快、成像圖片分辨率高及患者兼容性強等優(yōu)點而被廣泛用于各種細(xì)菌感染性疾?。ㄈ绶窝住⒛c炎、肌肉骨骼細(xì)菌感染及尿路感染等）的診斷［6~9］.對軟組織進行CT掃描需要使用造影劑來增強對比以揭示解剖信息.臨床上常用碘化化合物，如商品化的歐內(nèi)派克（Omnipaque）、優(yōu)維顯（Ultravist）及典比樂（Iopamidol）等進行CT成像造影，但這些含碘造影劑存在引起嚴(yán)重碘超敏反應(yīng)的風(fēng)險［9，10］.金納米顆粒（Au NPs）由于其高X射線衰減和良好的生物相容性，近年來被逐漸用于CT造影劑的研究［11］.Huo等［12］合成了具有X射線衰減能力的Au@Ag核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒，其對于肝、心、腎和膀胱等主要器官和大血管有較好的增強CT成像效果，且與商品化Omnipaque相比，相同濃度下該納米顆粒表現(xiàn)出更好的CT成像增強能力.隨后，Huo等［13］進一步在該納米顆粒表面修飾了特異性抗體用于小鼠MRSA感染性肺炎的靶向CT成像，發(fā)現(xiàn)病灶部位和正常組織可明顯區(qū)分.此外，一些其它元素，如鉍（Bi）、鉭（Ta）和鎢（W）等也被探索用于CT成像［14］.Zu等［15］合成了一種具有抑菌和增強CT成像雙功能的Bi2S3@mSiO2@Ag納米復(fù)合材料，在構(gòu)建的細(xì)菌性腸炎動物模型中，其可作為增強胃腸道可視化的造影劑和抗菌藥物（圖1）.

Fig.1 Schematic illustration of the application of the Bi2S3@mSiO2@Ag for CT imaging and antibacterial treatment of the gastrointestinal(GI)tract[15]

作為一種結(jié)構(gòu)成像技術(shù)，目前CT成像主要依賴于細(xì)菌感染引起的組織和器官的結(jié)構(gòu)異常進行診斷，因此不能將細(xì)菌感染與其它炎癥感染區(qū)分開來［16］.此外，由于CT成像是通過組織結(jié)構(gòu)對X射線的吸收程度而實現(xiàn)的，因此其在定量分析和分子與細(xì)胞水平上靈敏檢測方面受限，同時輻射損傷也限制了臨床患者使用CT成像診斷的頻率.未來可通過設(shè)計靶向分子探針實現(xiàn)CT功能成像或結(jié)合光學(xué)及MRI等多模態(tài)成像模式彌補單一CT成像的不足.

1.2 正電子發(fā)射斷層掃描

Fig.2 Molecular targets for bacteria?specific imaging agents[17]

PET是一種可以反映分子代謝的核成像技術(shù)，有利于細(xì)菌感染的早期診斷.目前基于PET成像進行體內(nèi)細(xì)菌感染檢測的研究主要是針對特定細(xì)菌代謝途徑發(fā)展放射性示蹤劑，包括碳水化合物代謝系統(tǒng)、Fe轉(zhuǎn)運系統(tǒng)和細(xì)胞壁合成過程等（圖2）［17］.氟代脫氧葡萄糖（18F-FDG）是目前臨床上廣泛用于感染性疾病如心內(nèi)膜炎、炎癥性腸病診斷的PET示蹤劑［18］，其示蹤原理是感染部位糖酵解增加引起葡萄糖代謝活性增強使得對18F-FDG攝取提高，從而區(qū)別于其它正常組織.然而，糖酵解增加并不是細(xì)菌感染部位所特有的，其它炎癥部位或腫瘤細(xì)胞中葡萄糖代謝活動也是顯著增強的，因此，18F-FDG無法將細(xì)菌感染與其它病理（如癌癥和炎癥）區(qū)分開來.麥芽糖和麥芽糖糊精是細(xì)菌的能量來源，它們通過細(xì)菌特有的麥芽糖糊精轉(zhuǎn)運系統(tǒng)被吸收.基于此，Ning等［19］設(shè)計制備了18F標(biāo)記的麥芽糖醇（MH18F）PET示蹤劑用于體內(nèi)由105 CFU的大腸桿菌引起的早期感染成像，與18F-FDG相比，其檢測靈敏度高幾個數(shù)量級，且可以區(qū)分活死菌和監(jiān)測抗生素治療效果.但MH18F藥代動力學(xué)不理想，信噪比較差，限制了其臨床應(yīng)用.為了在臨床上轉(zhuǎn)化這類示蹤劑，Gowrishankar等［20］開發(fā)了第二代示蹤劑：6-18F-氟麥芽三糖.研究表明，6-18F-氟麥芽三糖能在體內(nèi)外被多種致病細(xì)菌攝取，且其藥代動力學(xué)特征優(yōu)于先前表征的MH18F探針.山梨糖醇是腸桿菌科細(xì)菌獨特的糖代謝底物，Weinstein等［21］發(fā)展了氟代脫氧山梨糖醇（18F-FDS）PET示蹤劑用于常見腸桿菌科細(xì)菌如耶爾森氏菌、大腸桿菌及克雷伯氏菌等的感染成像.體外和體內(nèi)研究表明，18F-FDS在腸桿菌科細(xì)菌感染病灶中大量積累，而在哺乳動物細(xì)胞、無菌炎癥病灶或其它細(xì)菌種類引起的感染中幾乎沒有攝取，因此，18F-FDS在識別和監(jiān)測由腸桿菌科細(xì)菌引起的感染方面具有巨大潛力［22］.鐵載體是微生物用來吸收或清除必需Fe的低分子量螯合劑，可以被微生物的主動轉(zhuǎn)運蛋白識別和吸收，且許多鐵載體對特定一種或一類的細(xì)菌具有特異性，因此用合適的放射性金屬元素（如Ga-68）取代鐵載體中的Fe，為細(xì)菌感染的特異性靶向成像開辟了新途徑［23］.Petrik等［24］利用銅綠假單胞菌生產(chǎn)的鐵載體pyocyanin PAO1螯合Ga-68，實現(xiàn)了銅綠假單胞菌感染的特異性成像.細(xì)菌細(xì)胞壁肽聚糖是由線性糖鏈經(jīng)短肽交聯(lián)形成的多聚體，其中短肽末端高度保守的D-丙氨酸在肽聚糖的合成和代謝過程中會進行肽段交聯(lián)、水解、替換等修飾，從而使得外源的D-氨基酸能夠代謝摻入細(xì)菌細(xì)胞壁，而哺乳動物細(xì)胞并不會利用外源性D-氨基酸，基于此，近年來D-氨基酸被廣泛應(yīng)用于設(shè)計構(gòu)建細(xì)菌成像探針［25~28］.例如，Neumann等［29］以11C標(biāo)記的D-甲硫氨酸（11C-D-Met）作為PET示蹤劑用于小鼠大腸桿菌和金黃色細(xì)菌感染肌炎模型的成像，并證明了其在區(qū)分細(xì)菌感染和無菌炎癥方面的特異性.葉酸是原核生物和真核生物中許多代謝途徑的關(guān)鍵成分，包括DNA和氨基酸合成.人類需要通過飲食獲得外源性的葉酸，而細(xì)菌能夠產(chǎn)生自己的葉酸，其中氨基苯甲酸（PABA）因是細(xì)菌合成葉酸的關(guān)鍵前體而被細(xì)菌特異性吸收.Zhang等［30］發(fā)展了PABA放射性氟化類似物（2-［18F］F-PABA）作為細(xì)菌感染PET成像示蹤劑用于區(qū)分細(xì)菌感染和無菌炎癥.Mutch等［31］則開發(fā)了11C標(biāo)記的PABA（［11C］PABA）PET成像示蹤劑用于細(xì)菌感染特異性成像，并且有臨床人體實驗表明［11C］PABA具有快速的腎臟排泄和低背景信號的優(yōu)點，臨床應(yīng)用價值非常高.Sellmyer等［32］利用與細(xì)菌特有的二氫葉酸還原酶有高親和力的抗生素甲氧芐啶設(shè)計了氟丙基甲氧芐氨嘧啶（［18F］FPTMP）分子探針用于細(xì)菌感染特異性成像，［18F］FPTMP探針對細(xì)菌具有納摩爾級的親和力，更利于臨床檢測中的低劑量使用.UBI-29-41是哺乳動物呼吸系統(tǒng)上皮細(xì)胞中抗菌肽的細(xì)菌結(jié)合域多肽，是設(shè)計區(qū)分細(xì)菌感染與無菌炎癥分子探針的有力候選者.Vilche等［33］設(shè)計了68Ga-NOTA綴合的UBI-29-41探針（68Ga-NOTA-UBI-29-41）用于細(xì)菌感染特異性成像.Wang等［34］將疊氮修飾的半乳糖與脆弱擬桿菌共培養(yǎng)以通過糖代謝途徑修飾于細(xì)菌表面，然后通過疊氮與炔烴點擊化學(xué)反應(yīng)在細(xì)菌表面連接放射性核素64Cu，并通過PET成像考察了64Cu標(biāo)記的脆弱擬桿菌在小鼠體內(nèi)的分布.與常規(guī)的熒光標(biāo)記追蹤體外移植細(xì)菌在體內(nèi)的分布相比，64Cu標(biāo)記PET成像具有更高的組織穿透性和靈敏度，是研究細(xì)菌在體內(nèi)生物活動的有利工具.然而對于細(xì)菌感染體內(nèi)檢測而言，設(shè)計兩步標(biāo)記的生物正交探針并不是最佳的選擇，因為體內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境可能會影響生物正交效率，從而降低檢測的準(zhǔn)確性和靈敏度.基于哺乳動物和細(xì)菌之間的分子或細(xì)胞通路的內(nèi)在差異開發(fā)高靈敏度的細(xì)菌特異性PET分子成像探針，以實現(xiàn)細(xì)菌感染定量檢測是PET成像技術(shù)用于細(xì)菌診斷領(lǐng)域未來發(fā)展的主要方向之一，具有廣闊的發(fā)展前景.

Fig.3 Ultrasound imaging of bacteria in the gastrointestinal tract[39]

1.3 超聲成像

超聲成像是利用超聲波掃描機體后接收、處理反射的聲波信號，以獲得體內(nèi)器官圖象的成像方法.由于設(shè)備簡單、無電離輻射性、成像速度快、無創(chuàng)等優(yōu)點，該成像技術(shù)在臨床上應(yīng)用廣泛.然而超聲成像由于組織穿透深度有限、骨骼或軟組織中空氣產(chǎn)生的強背景信號干擾等在一定程度上限制了其使用.近年來發(fā)展的超聲造影劑輔助成像提高了病變部位的成像對比度.常用的超聲造影劑有微泡、納米滴、納米泡和脂質(zhì)體等［35，36］，其中微氣泡目前廣泛用于體內(nèi)細(xì)菌超聲成像研究［37］.2012年，Pfeifer［38］發(fā)現(xiàn)許多古細(xì)菌，如生活在鹽池中的藍(lán)藻細(xì)菌、產(chǎn)氧光合細(xì)菌、嗜冷異養(yǎng)細(xì)菌和嗜鹽古菌等，可以合成稱之為氣體囊泡（GVs）的充氣蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)用作水生環(huán)境中的浮選設(shè)備.利用GVs可以產(chǎn)生穩(wěn)定的超聲對比信號這一特點，Bourdeau等［39］通過基因工程在常見致病菌大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌中成功構(gòu)建了GVs，實現(xiàn)了體內(nèi)細(xì)菌定位成像（圖3）.此外，該研究表明，特定的壓力脈沖可使GVs崩塌，從而能夠在消除背景信號基礎(chǔ)上根據(jù)超聲信號消失的位置對樣本進行二次精準(zhǔn)定位.然而能夠分泌GVs的自然菌種類有限，且大多數(shù)體內(nèi)感染致病菌不能分泌這種GVs，因此該方法的臨床應(yīng)用受限.GVs在遺傳上是可編碼的，通過基因工程可改造其表面性質(zhì)或進行表面修飾［40］.Lakshmanan等［41］通過基因工程改造了GVs外殼的表面蛋白，使其可被特定酶識別和切割，產(chǎn)生超聲對比信號，從而用于可視化動態(tài)監(jiān)測細(xì)胞內(nèi)酶活性.該蛋白酶觸發(fā)的超聲成像策略為發(fā)展細(xì)菌感染超聲成像探針帶來了新的啟發(fā)，可通過基因工程改造GVs以響應(yīng)細(xì)菌獨特的感染微環(huán)境或分泌物等達(dá)到細(xì)菌感染特異性超聲成像的目的.因此，基因工程化GVs是超聲影像發(fā)展新的增長點，有望像熒光蛋白一樣在分子影像領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用.

1.4 磁共振成像

MRI是利用核磁共振原理進行成像的一種技術(shù).MRI通過在靜磁場中施加特定頻率的射頻脈沖和特定方向的磁場梯度，使被測樣品產(chǎn)生的磁共振信號變得位置依賴，從而實現(xiàn)空間位置信息的編碼.與其它分子影像技術(shù)相比，MRI具有對檢查對象無損無創(chuàng)、軟組織對比度高及組織穿透力強等特點.MRI可通過測量1H縱向弛豫時間（T1）的變化來監(jiān)測感染性病變部位［42］.但體內(nèi)廣泛存在的1H使得背景信號高，成像對比度低，因此需要造影劑來增強成像.Zhang等［43］將抗生素新霉素與美國食品和藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)的T1加權(quán)MRI造影劑Gd-DOTA結(jié)合，開發(fā)了特異靶向細(xì)菌的MRI成像探針，并實現(xiàn)了活體細(xì)菌感染的高分辨成像［圖4（A）］.Wang等［44］設(shè)計了基于Mn作為造影劑的MRI成像探針用于小鼠細(xì)菌感染成像，該探針表面修飾有細(xì)菌靶向肽和絡(luò)合了Mn的卟啉聲敏劑（MnTCPP），可同時實現(xiàn)細(xì)菌靶向成像和聲動力治療，并通過MRI成像監(jiān)測治療效果［圖4（B）］.與1H-MRI相比，19F-MRI因無內(nèi)源性背景信號而具有更高的成像對比度，如有研究者用全氟碳乳劑（PFC）作為19F-MRI造影劑追蹤細(xì)胞、觀察炎癥［45］.Hertlein等［46］以PCF作為19F-MRI造影劑觀察金黃色葡萄球菌感染小鼠大腿膿腫的形成，但由于PCF是通過被免疫細(xì)胞吞噬后遷移到炎癥部位，因此不能明確區(qū)分細(xì)菌感染和無菌性炎癥.

Fig.4 Schematic illustration of the application of the Ga?based(A)[43]and Mn?based(B)[44]MRI contrast agents for bacterial infection imaging and MRI guided treatment

1.5 熒光成像

熒光成像是研究生理學(xué)、分子生物學(xué)、免疫學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的重要研究方法.基于光學(xué)示蹤劑進行細(xì)菌感染成像主要有兩種策略：（1）采用基因編碼的熒光素酶［47］或綠色熒光蛋白［48］進行標(biāo)記；（2）使用帶有親和配體和熒光報告基團的分子探針［49~52］.熒光素酶或綠色熒光蛋白在大多數(shù)野生型細(xì)菌中無內(nèi)源性表達(dá)，臨床應(yīng)用價值較低；而熒光分子探針由于可根據(jù)所需進行體外設(shè)計和構(gòu)建，其應(yīng)用更加廣泛.Leevy等［53］設(shè)計了一種由鋅（II）-二甲基吡啶胺（Zn-DPA）結(jié)合近紅外花青染料構(gòu)成的成像探針，該探針基于靜電作用吸附在細(xì)菌表面，實現(xiàn)了小鼠腿部細(xì)菌感染成像.然而，該熒光Zn-DPA探針也可與帶負(fù)電荷的凋亡細(xì)胞結(jié)合［54］，其特異性相對較低.Ning等［55］基于細(xì)菌獨有的麥芽糊精運輸途徑設(shè)計制備了熒光標(biāo)記的麥芽糖醇分子探針用于小鼠體內(nèi)低至105CFU的細(xì)菌感染熒光成像，且該探針可區(qū)分細(xì)菌感染和非細(xì)菌炎癥感染［圖5（A）］.Wang等［56］開發(fā)了近紅外熒光染料偶聯(lián)D-丙氨酸的細(xì)菌代謝探針用于小鼠腸道微生物群熒光成像，為發(fā)展細(xì)菌感染成像探針提供了參考.Zhao等［57］將銅綠假單胞菌獨特的金屬運輸載體pseudopaline與近紅外熒光染料Cy7偶連，用于小鼠銅綠假單胞菌感染的高特異性檢測，為快速、精準(zhǔn)檢測銅綠假單胞菌感染提供了新工具.萬古霉素是一種廣泛使用的革蘭氏陽性菌特異性抗生素，其對于革蘭氏陽性菌的細(xì)胞壁前體肽聚末端的丙氨酰丙氨酸具有高親和力.Van Oosten等［50］使用臨床批準(zhǔn)的近紅外熒光染料IRDye-800CW標(biāo)記萬古霉素特異靶向和檢測革蘭氏陽性細(xì)菌感染［圖5（B）］，在小鼠感染模型和人體感染模型（死尸）中展現(xiàn)出較高的信噪比.鑒于萬古霉素和IRDye-800CW都獲得了臨床使用批注，因此該成像探針具有臨床應(yīng)用的巨大潛能.3-脫氧-D-甘露糖-辛糖酸（KDO）是革蘭氏陰性菌外膜脂多糖中特有且不可缺少的一種單糖成分，外源性的KDO或KDO類似物可以通過脂多糖代謝修飾到細(xì)菌表面［58］.Wang等［59］將熒光染料標(biāo)記的KDO用于小鼠腸道革蘭氏陰性菌特異性標(biāo)記熒光成像，為發(fā)展革蘭氏陰性菌感染的特異性檢測探針提供了參考.

Fig.5 Schematic illustration of the application of fluorescently labeled maltohexaose(A)[55],Vanco?800CW(B)[50],TPACN?D?Ala(C)[64]and AIEgen?peptide(D)[52]for fluorescence imaging of bacterial infection

隨著納米科學(xué)的發(fā)展，熒光納米材料在細(xì)菌感染成像方面也備受關(guān)注.與熒光染料相比，熒光納米材料具有更高的生物相容性和光穩(wěn)定性［60~62］.如熒光碳納米管（SWNT）的斯托克斯位移大且自發(fā)熒光背景低，可在近紅外二區(qū)（NIR-II）成像.Bardhan等［49］報道了一種M13噬菌體功能化的SWNT探針用于細(xì)菌感染的靶向熒光成像，在小鼠金黃色葡萄球菌感染性心內(nèi)膜炎模型中，該探針的顯像增強率可達(dá)5.7倍.Chen等［62］合成了可與細(xì)菌靜電結(jié)合的近紅外二區(qū)發(fā)光的硫化鉛量子點（PbS QD）用于動態(tài)監(jiān)測小鼠細(xì)菌感染.PbS QD具有良好的熒光穩(wěn)定性，被認(rèn)為是一種實時且長效（28 d）的體內(nèi)顯像劑，有很高的利用價值.傳統(tǒng)熒光探針的熒光信號通常處于開啟狀態(tài)，這必然會降低探針的信噪比和靈敏度，且熒光探針在聚集狀態(tài)下會出現(xiàn)熒光猝滅，不適合由聚集或組裝引發(fā)的熒光成像.聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）分子具有與傳統(tǒng)熒光染料完全不同的聚集后熒光開啟的關(guān)鍵特性，可作為細(xì)菌感染成像的良好候選 材料［63］.Mao等［64］開發(fā)了一種AIE光敏劑偶連D-丙氨酸（D-Ala）的細(xì)菌代謝探針，用于特異性標(biāo)記體內(nèi)細(xì)菌進行熒光成像，且該探針可通過光照產(chǎn)生活性氧1O2殺傷細(xì)菌，實現(xiàn)體內(nèi)細(xì)菌感染診療一體化［圖5（C）］.Yang等［52］報道了一種萬古霉素修飾的自組裝肽與AIE光敏劑相結(jié)合的探針用于體內(nèi)革蘭氏陽性細(xì)菌感染的熒光成像和光動力治療［圖5（D）］.

與其它成像方法相比，光學(xué)成像具有分辨率高、不存在電離輻射及其相關(guān)風(fēng)險、實時可視化及成本較低等優(yōu)勢；其缺點在于組織穿透深度有限.隨著熒光材料的不斷發(fā)展和電荷耦合器件相機的改進，更深層次的細(xì)菌感染光學(xué)成像將成為可能.

Fig.6 Schematic illustration of AuNPs@P1(A)[66]and Ppa?PLGVRG?Van(B)[68]based PAI contrast agentfor bacterial infection imaging

1.6 光聲成像

光聲成像（PAI）是綜合了光學(xué)成像高對比度和超聲成像高穿透深度的無損成像技術(shù)，可以提供高對比度和高分辨率的組織影像，為研究生物組織的結(jié)構(gòu)形態(tài)、生理特征、代謝功能及病理特征等提供重要支持，在生物醫(yī)學(xué)臨床診斷及活體組織結(jié)構(gòu)和功能成像領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.PAI通常利用機體內(nèi)源性光吸收物質(zhì)（如血紅蛋白、肌紅蛋白、脂類、黑色素、水及膽紅素等）呈現(xiàn)組織的結(jié)構(gòu)和功能信息，但這種成像模式面臨組織背景噪聲大、激發(fā)源衰減和組織穿透力差及不能直接用于體內(nèi)細(xì)菌感染成像等問題.因此需要開發(fā)有效的PAI造影劑，擴大PAI在體內(nèi)細(xì)菌感染成像研究中的應(yīng)用.Galanzha等［65］利用金黃色葡萄球菌特異性抗體修飾的金納米棒實現(xiàn)了小鼠活體血液中細(xì)菌感染的光聲成像和光熱殺菌.Lu等［66］開發(fā)了一種基于功能肽修飾金納米顆粒（AuNPs@P1）的光聲造影劑，用于顯著增強體內(nèi)細(xì)菌感染光聲成像［圖6（A）］.納米材料的自聚集體可能會在體內(nèi)與生物分子相互作用，從而極大地影響它們自身的性質(zhì)和生物學(xué)功能［67］，因此可設(shè)計在體內(nèi)細(xì)菌感染微環(huán)境中自組裝的分子探針來提高成像效果.Li等［68］設(shè)計了一種多肽兩端分別偶聯(lián)萬古霉素和PAI信號分子pyropheophorbideα（Ppa）的分子探針（Ppa-PLGVRG-Van）用于體內(nèi)細(xì)菌感染微環(huán)境中明膠酶響應(yīng)成像，并區(qū)分了細(xì)菌感染和無菌炎癥［圖6（B）］.

2 多模態(tài)成像

每種成像技術(shù)都有各自的特點，如CT成像空間分辨率高但軟組織對比度低，PET成像靈敏度高但空間分辨率低，MRI成像具有良好的軟組織分辨能力但靈敏度有限，熒光成像靈敏度高但組織穿透力差等（表1）.應(yīng)用單一的成像技術(shù)進行疾病診斷存在誤判的可能.為了克服單模態(tài)成像的不足，發(fā)展多模態(tài)成像技術(shù)已經(jīng)成為疾病診斷分子影像發(fā)展的重要趨勢.多模態(tài)分子成像是將具有多種成像功能的分子探針注入機體，通過成像設(shè)備獲取病變部位多種信息的分子影像技術(shù)［69］，其融合了不同成像技術(shù)的優(yōu)勢，可以提供更加全面和精確的成像信息.

Table 1 Performance comparison of common bacterial imaging technology

Fig.7 Schematic illustration of the application of 99mTc?UBI29-41?Cy5(A)[5]and MBP?Ce6 NSs(B)[74]for multimodal imaging of bacterial infections

近年來，許多研究嘗試將多模態(tài)（PET/CT，PET/MRI，MRI/FL等）技術(shù)用于腫瘤的精準(zhǔn)成像［70］.例如，F(xiàn)an等［71］設(shè)計了光敏劑和MnO2共負(fù)載的Fe3O4納米探針用于小鼠腫瘤MRI/FL雙模態(tài)成像，Lin等［72］設(shè)計了GSH響應(yīng)納米囊泡裝封AuNPs、Mn2+和近紅外熒光染料IR1061的多功能納米探針用于小鼠肝腫瘤MRI/PAI/FL三模態(tài)成像.多模態(tài)成像技術(shù)在腫瘤診斷研究領(lǐng)域的應(yīng)用為體內(nèi)細(xì)菌感染的多模態(tài)成像方法的發(fā)展提供了參考.Bernthal等［73］結(jié)合FL和CT成像實現(xiàn)了在解剖結(jié)構(gòu)下對小鼠骨感染變化的監(jiān)測.Welling等［5］設(shè)計了放射性核素99mTc和熒光染料Cy5共同標(biāo)記的抗菌肽（99mTc-UBI29-41-Cy5），通過SPECT/FL雙模態(tài)成像追蹤小鼠大腿肌肉金黃色葡萄球菌感染［圖7（A）］.Xiu等［74］設(shè)計了牛血清白蛋白（BSA）、聚乙二醇（PEG）和光敏劑Ce6共負(fù)載的MnO2納米片功能探針（MBP-Ce6 NSs）用于小鼠細(xì)菌生物膜感染的原位MRI/FL雙模態(tài)成像［圖7（B）］.該探針到達(dá)細(xì)菌生物膜感染的組織后，在酸性生物膜微環(huán)境中分解并釋放Ce6和Mn2+，激活熒光和磁共振信號.

3 總結(jié)與展望

分子影像技術(shù)的發(fā)展使得目前臨床基于晚期局部組織變質(zhì)、滲出和增生等生理學(xué)變化進行細(xì)菌感染診斷的模式向細(xì)菌感染早期診斷模式轉(zhuǎn)變，在一定程度上推動了細(xì)菌感染臨床診斷的進步.然而關(guān)于體內(nèi)細(xì)菌檢測尚有許多問題仍待解決：（1）細(xì)菌感染的超早期檢測；（2）細(xì)菌感染的定量分析；（3）細(xì)菌感染和非細(xì)菌炎癥的準(zhǔn)確區(qū)分；（4）哺乳動物細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌的檢測；（5）腫瘤微環(huán)境中細(xì)菌的有效監(jiān)測.越來越多的研究表明，常見的細(xì)胞外致病菌（如金黃色葡萄球菌）可在免疫細(xì)胞中存活，躲避抗生素的殺傷，并導(dǎo)致感染復(fù)發(fā)或免疫系統(tǒng)受損［75~78］；同時最新研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞（如乳腺癌、肺癌和胰腺癌細(xì)胞等）內(nèi)也有細(xì)菌存在，并且可能是腫瘤異質(zhì)性的重要成因之一［79］.2017年在《Science》和《Cell》上分別發(fā)表了關(guān)于腫瘤微環(huán)境中的細(xì)菌可通過降解抗腫瘤藥物或誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞啟動自噬形成腫瘤耐藥的研究［80，81］，因此開展腫瘤微環(huán)境中細(xì)菌的原位檢測對于指導(dǎo)細(xì)菌感染和腫瘤治療合理給藥具有重要意義.

多模態(tài)成像由于同時具備不同成像方法的優(yōu)點，是提高成像診斷準(zhǔn)確度和靈敏度的有效手段之一，有望實現(xiàn)體內(nèi)細(xì)菌感染的有效診斷.目前基于多模態(tài)策略的細(xì)菌感染成像主要集中于采用FL與CT，SPECT和MRI成像模式進行聯(lián)合分析，未來可以發(fā)展FL-US雙模態(tài)成像用于細(xì)菌感染的方便、無損成像；或發(fā)展FL-CT-PET三模態(tài)成像，利用FL高靈敏度、CT成像高空間分辨率和PET成像可定量分析的優(yōu)勢實現(xiàn)細(xì)菌感染早期定位和定量檢測；或發(fā)展1H/19F雙模態(tài)MRI成像，利用1H-MRI高空間分辨率和19F-MRI高信噪比的優(yōu)勢實現(xiàn)細(xì)菌感染病灶的精準(zhǔn)定位.實現(xiàn)細(xì)菌感染超早期檢測的另一有效手段是采用信號放大策略來提高檢測靈敏度，譬如基于體內(nèi)細(xì)菌感染誘導(dǎo)的信號探針原位自組裝實現(xiàn)信號放大.區(qū)分細(xì)菌感染和非細(xì)菌炎癥是臨床診斷所面臨的問題之一，對于指導(dǎo)用藥至關(guān)重要.通過篩選高特異性細(xì)菌親和配體來設(shè)計靶向細(xì)菌探針，以提高探針選擇性是區(qū)分細(xì)菌感染和非細(xì)菌炎癥的有效手段之一.目前已有研究報道基于生物正交反應(yīng)原位標(biāo)記［78］、熒光共振能轉(zhuǎn)移［82］和多肽組裝增強光聲信號［83］等策略實現(xiàn)了巨噬細(xì)胞內(nèi)的細(xì)菌檢測，但對于細(xì)胞內(nèi)或腫瘤微環(huán)境中的細(xì)菌感染檢測仍面臨如下挑戰(zhàn)：檢測探針如何屏除細(xì)胞外細(xì)菌的干擾并有效進入細(xì)胞和腫瘤內(nèi)部.未來利用宿主細(xì)胞、腫瘤組織與細(xì)菌感染微環(huán)境的差異化響應(yīng)性特點設(shè)計特異性響應(yīng)或級聯(lián)響應(yīng)的分子成像探針是實現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)或腫瘤微環(huán)境中細(xì)菌感染成像的有效手段之一.