多模態(tài)分子探針的研究進展

張蕊娟，范龍飛，周家宇，梁茂林，朱 然

（蘇州大學(xué)放射醫(yī)學(xué)與防護學(xué)院，江蘇 蘇州 215123）

分子影像學(xué)是運用影像學(xué)來反映活體狀態(tài)下特定分子生物學(xué)行為變化的新興跨學(xué)科領(lǐng)域，涉及影像學(xué)、生命科學(xué)、納米科學(xué)、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個學(xué)科，用于在分子層面滿足各類成像需要[1]。其主要成像方法包括5類：①光學(xué)成像：包括生物發(fā)光成像、熒光成像（FI）、光聲成像（PAI）和光學(xué)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）；③電子計算機斷層掃描（CT）；④磁共振（MRI）；⑤超聲（USUS）[2]。PAI、熒光分子斷層成像（FMT）、PET和SPECT等技術(shù)提供的功能信息，與CT提供的解剖學(xué)參考以及與MRI提供的解剖學(xué)和功能信息相結(jié)合，已被廣泛地應(yīng)用于人類疾病的動物模型[3]。單一的分子成像方式可能不足以獲得所有必要的信息，都存在其優(yōu)缺點，在時間空間分辨率、主體穿透深度、檢測閾值等方面可能存在差異，因而難以在診斷和治療中獲得令人滿意的性能[4]。近些年來，臨床前和潛在臨床研究領(lǐng)域?qū)τ诙嗄B(tài)分子探針的需求都在急劇增加，學(xué)者們正著眼于開發(fā)靶向能力更強、同時兼?zhèn)鋬煞N或兩種以上成像能力、對機體毒副作用更小、監(jiān)測效果更為靈敏的多模態(tài)分子探針用于多模態(tài)成像，本篇綜述將介紹多模態(tài)探針的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景。

1 多模態(tài)分子探針

多模態(tài)分子探針一般由兩種元件組成。一種是靶向元件，包括肽段、抗體、折疊DNA等；另一種為多模態(tài)信號元件，包括放射性核素、熒光染料、金屬釓、金屬碘，還有較復(fù)雜的納米顆粒，如量子點、硫化銀顆粒、脂質(zhì)體等[5]，這類材料的表面具有多個修飾位點，可將多種信號元件加以組合，以便構(gòu)建出多模態(tài)分子探針[6]。

1.1 PET/光學(xué)成像雙模態(tài)探針 PET成像可穿透深層組織，但空間分辨率較低，僅有幾毫米[7]，而光學(xué)成像可提供相對較高的納米至微米級的空間分辨率，但常伴有淺層組織穿透的問題[8]。結(jié)合兩者成像特點所得的探針，既含有用于PET成像的放射性同位素，又有用于熒光成像的熒光基團，既可以在最初的診斷性PET掃描中提供疾病的特定功能成像，又可以為術(shù)中切除這種病變組織提供高空間分辨率的實時熒光成像[9-11]。不同示蹤劑的生物分布可能存在差異，因而使用PET-熒光多模式探針比使用單獨的PET探針和熒光探針對同一疾病狀態(tài)進行成像更有利[12-13]。此外，Ⅰ期臨床試驗僅需要評估一種而非兩種藥物的安全性也是其優(yōu)點之一[14]?；ㄇ嗨亍⒀蹼s蒽類衍生物和納米粒子常被用于制備成像組件[15]。Nahrendorf等[16]制備的納米粒子基于一種葡聚糖核殼納米粒子[交聯(lián)氧化鐵（CLIO）]，葡聚糖表面首先被胺化，然后與羥基琥珀酰亞胺（hydroxysuccinimide-derivatized fluorochromes）衍生的氟鉻化合物和疊氮化物反應(yīng)，并將18F標記的聚乙二醇（18F-PEGs）通過點擊反應(yīng)連接到材料上。此種探針用于BALB/c小鼠的結(jié)腸癌模型成像，靶向于腫瘤相關(guān)的巨噬細胞[17]，顯示出了較好的成像效果。Zhang等[13]通過賴氨酸將靶向基團RM2（一種專門與胃泌素釋放肽受體結(jié)合的非肽類）、螯合基團（DOTA）和近紅外熒光團進行連接，構(gòu)建了一種近紅外成像探針，可用于前列腺癌的顯像。

1.2 MRI-CT成像多模態(tài)探針 CT是一種基于X射線與身體或造影劑相互作用的醫(yī)學(xué)成像方式[18]，由于其高空間分辨率和圖像采集的快速便捷而成為應(yīng)用最廣泛的全身成像技術(shù)之一，常被用于可視化各種解剖結(jié)構(gòu)。但CT的先天敏感性不夠高，在應(yīng)用時約有一半需要加用造影劑來輔助檢測軟組織的細微變化[19]。盡管MRI與CT常共同應(yīng)用于同一患者，以提高診斷的準確性或評估治療常規(guī)的療效[20]，但與其他多模態(tài)成像劑相比，用于MRI-CT的多模態(tài)成像劑所得到的關(guān)注仍然較少。由Park等[21]合成的釓螯合物（GdL）包被的金納米顆粒，簡稱為Au@GdL，其中L是二乙烯三胺五乙酸（DTPA）和半胱氨酸的共軛物。通過以GdL取代金納米顆粒表面的檸檬酸鹽（Citrate）而制得的Au@GdL，可用于腫瘤的MRI-CT多模態(tài)成像。其將金核封裝在多層有機殼內(nèi)，殼中夾帶的Gd（Ⅲ）用以增強MRI的對比度，而金核提供了強大的X射線吸收能力。Park等[21]的研究表明，Au@GdL在血液中的循環(huán)時間很長，并可在動物的腫瘤組織中積累，MTT結(jié)果也表明其具有很低的細胞毒性，具備潛在的應(yīng)用前景。

1.3 CT/光學(xué)成像多模態(tài)探針 CT成像提供了FI無法實現(xiàn)的3D解剖結(jié)構(gòu)，而FI提供了CT成像所缺乏的高表面分辨率和靈敏度，兩種成像模式相互補償。盡管如此，雙模態(tài)FI-CT探針仍面臨著如何整合兩種不同靈敏度的成像劑的挑戰(zhàn)。與FI相比，靈敏度較低的CT需要大量的造影劑負載才能有效讀取信號，相對大的需求量進一步增加了毒性和溶解性問題；另一方面，如何保證雙模態(tài)探針的生物相容性和靶向選擇性是設(shè)計探針時所需面臨的另一個問題，通常需要附加一個靶向組以便在所需部位富集CT造影劑[10]。許國強等[22]研制了一種核心共裝載Lipiodol（脂肪醇）和近紅外熒光染料的CT/熒光雙模態(tài)脂質(zhì)納米顆粒。用LTV多肽對二肉豆蔻酰磷脂酰膽堿（DMPC）、磷酸乙醇胺（DMPE）、二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺（DSPEPEG2000）、丙基纖維素（MHPC）四種磷脂表面進行修飾后制得的HER2靶向CT/熒光雙模態(tài)納米探針可用于乳腺癌的診斷。Lu等[23]制得的TaOx殼層覆蓋的近紅外發(fā)光納米粒子（ZGGO:Cr,Pr），可作為CT對比劑。用3-氨基丙基三乙氧基硅烷試劑（3-Aminopropyltriethoxysilane）對其TaOx外層進行修飾以便使其與PEG鏈和環(huán)狀直鏈短肽（CNGRCGG肽）結(jié)合作為靶向基團，最終所獲納米探針NGR-PEG-ZGGO:Cr,Pr@TaOx@SiO2可用于體內(nèi)近紅外熒光成像（NIRF）或CT成像來檢測裸鼠的腫瘤部位。

1.4 MRI-光學(xué)成像多模態(tài)探針 MRI高軟組織分辨率、多方位多參數(shù)的特點與光學(xué)成像高成像靈敏度[24]兩者結(jié)合得到的圖像可滿足功能與解剖成像的需要[25]。常見的MRI-光學(xué)多模態(tài)探針可分為MRI/熒光染料、MRI/有機金屬配合物、量子點、上轉(zhuǎn)換粒子四種[26]。近紅外光最適合FI，在此范圍內(nèi)血紅蛋白和水的吸收相對較低，因而組織穿透深度相對較高[27-31]。此外，與可見光譜相比，近紅外范圍內(nèi)的自發(fā)熒光也較低[32]。花青（Cy）家族是體內(nèi)FI常用的染料[33]，通過將Cy家族共價連接到Gd-DTPA-聚賴氨酸上構(gòu)建得到的雙模態(tài)探針，可用于術(shù)前MRI和術(shù)中腫瘤邊界的確定[34]。磁離子摻雜的量子點（MDQD）作為一種重要的 FI-MRI雙模態(tài)造影劑，可以將光學(xué)和磁學(xué)功能整合在一個納米粒子中，與其他量子點（QDs）制備的探針相比具備更小的粒徑，有助于快速排出體外；此外，MDQD還可有效避免某些復(fù)合材料或核殼材料中使用的非放射性包裝材料對MDQD熒光性能的潛在干擾[35]。熒光金屬納米團簇由于其亞納米尺寸、出色的光穩(wěn)定性和相對較低的毒性，在生物傳感和生物成像領(lǐng)域有較多應(yīng)用[36]。Li等[37]以此種方式制備的聚乙二醇包被的超小氧化釓/適體-金納米團簇（PEG-Gd2O3 NPs/aptamer-Ag NMCs），通過使PEG-Gd2O3 NPs表面的羧基和aptamer-Ag NMCs表面的氨基之間發(fā)生共價偶聯(lián)反應(yīng)使兩者結(jié)合。此探針可在體外通過雙模態(tài)FI-MRI對MCF-7腫瘤細胞進行特異性標記。上轉(zhuǎn)化納米材料也是今年十分熱門的領(lǐng)域，Liu等[38]制備的新型硅殼納米顆粒探針NaYF4:Yb/Tm@NaGdF4，可實時監(jiān)測藥物釋放，實現(xiàn)藥物在體內(nèi)和體外實時可視化和量化。

1.5 SPECT/PET-MRI多模態(tài)探針 PET-MRI雙模態(tài)探針一般由PET示蹤組分和MRI成像組分組成，前者包括18F、64Cu，后者包括金屬鐵、釓等，還可能含有多肽、抗體等靶向組件[39]。常見的PET/MR多模態(tài)成像探針，主要包括含Gd3+螯合物的小分子雙模態(tài)探針和納米雙模態(tài)探針。開發(fā)新型多模態(tài)PETMR探針的方法主要是通過對共軛MRI成像組件進行表面修飾，并將其與PET放射性核素和其他功能組件結(jié)合起來[40]。

Gd3+螯合物是最常用的小分子MRI造影劑，常被用于開發(fā)雙模態(tài)探針。一種小分子PET-MR雙模態(tài)探針18F標記的釓離子螫合物（Gd-DOTA-4AMP-18F，一種18F標記的新型pH值敏感MRI造影劑）可用于定量與pH相關(guān)成像[41]，是由基于Gd-DOTA的MRI成像組分與PET示蹤組分18F組成。前者成像信號與pH相關(guān)，后者可靶向至腫瘤部位。因為小分子難以承載兩個或多個成像組分，甚至由于其有限的負載能力而難以將靶向基團作為單個實體，因而以Gd3+螯合物為代表的的小分子MRI造影劑僅占PETMRI雙模態(tài)探針的一小部分，大部分都為納米雙模態(tài)探針。納米尺寸結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢允許其攜帶多模態(tài)成像組件和靶向組件，其表面、涂層和顆粒內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)性也具備可調(diào)性。Yang等[42]制備的靶向于巨噬細胞的多模態(tài)探針1,4,7-三氮雜環(huán)壬烷-1,4,7-三乙酸-氧化鐵納米顆粒-甘露糖（NOTA-IO-MAN）粒徑分布窄，無明顯聚集或降解。PET和MRI都可證實68Ga-NOTA-IO-Man注射到大鼠足底后可在淋巴結(jié)中濃集，這說明這種探針在淋巴結(jié)成像及各種癌癥靶向治療領(lǐng)域都有著良好前景。Torres Martin de Rosalest等[43]合成的一種雙模態(tài)分子探針，是用一種新型雙功能螯合劑dtcbp使一個用于結(jié)合正電子發(fā)射劑64Cu進行PET成像的二硫代氨基甲酸酯基團和一個用于結(jié)合無機材料的雙膦酸鹽基團結(jié)合而成。通過此種方法制備的探針可通過兩種方式對淋巴結(jié)進行成像，證明了其PET-MR成像能力。Zielhuis等[44]將乙烯三胺五醋酸雙十八烷基酰胺（一種具有螯合基團的兩親分子，適合標記放射性核素）和乙酰丙酮釓（GdAcAc）（一種小型親脂順磁性分子）納入脂質(zhì)體中，并用放射性核素（如166Ho或99mTc）加以標記，被標記后的脂質(zhì)體具備較高的標記效率和放射化學(xué)穩(wěn)定性，與之相比99mTc標記的標記效率較低。最終制得的脂質(zhì)體可用作雙峰SPECT-MR成像探針，可用于多模態(tài)成像和治療，具有臨床應(yīng)用的潛力。

2 多模態(tài)分子探針應(yīng)用

2.1 腫瘤分子成像 分子成像能夠無創(chuàng)地觀察到與癌癥相關(guān)的不同階段的關(guān)鍵分子靶點和宿主反應(yīng)，從而促進癌癥的精確診斷和治愈性治療。用于體內(nèi)腫瘤成像的高效探針需要兩個先決條件模塊：①提供可檢測信號的成像模塊；②確定腫瘤精確定位的靶向模塊[45]。Chen等[46]合成的一種新型的雙模式MRI-NIRF探針，由涂有脂質(zhì)體的超順磁性氧化鐵（SPIO）納米粒子、腫瘤靶向劑、精氨酸-甘氨酸-唾液酸肽（RGD）和近紅外熒光染料（吲哚菁綠，ICG）組成，可用于肝癌裸鼠模型的術(shù)前診斷和術(shù)中引導(dǎo)根治切除，于MRI和熒光圖像都可顯示出清晰的腫瘤輪廓。

2.2 胰島細胞成像 人鋅轉(zhuǎn)運體8（ZnT8）是一種專門的鋅轉(zhuǎn)運體，主要存在于胰島β細胞的胰島素分泌顆粒中，控制著鋅在胞質(zhì)中的積累和其在細胞內(nèi)囊泡腔的運輸[47]。最近的研究[48]證實，ZnT8的自身抗體是診斷1型糖尿病的一個重要生物標志物，其本身就作為β細胞成像的一個較有前景的目標分子[49-50]。胰島素顆粒中含有高濃度的Zn（Ⅱ）離子，其中一小部分未被結(jié)合[51]。鑒于Zn（Ⅱ）在分泌顆粒中占很大比例，而在胰腺其他部分相對稀少[52]，基于Zn（Ⅱ）的成像劑可能是人體成分分析（BCM）的有用工具[53]。Stasiuk等[54]開發(fā)的一種感知Zn（Ⅱ）的MRI-光學(xué)成像多模態(tài)探針，在體外可特異性地積累到分泌顆粒和分離的胰島中，在體內(nèi)MRI實驗也可清楚地勾勒出增強的胰腺圖像。這些結(jié)果表明，使用Zn（Ⅱ）感應(yīng)探針的MRI成像在檢測BCM和β細胞功能領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景，但這種成像方法在人體中的具體應(yīng)用還有待檢驗[55]。

2.3 心腦血管疾病成像 Keliher等[56]制備的一類18F標記的聚葡萄糖納米粒子18F-Macroflor，對巨噬細胞表現(xiàn)出高親和力，具備出色的PET-CT性能，并可經(jīng)腎臟快速排泄，能夠用于識別動脈粥樣硬化斑塊和缺血性心肌的炎癥，特別適于動脈粥樣硬化成像。Cao等[57]開發(fā)了一種含有2,3-二巰基琥珀酸（DMSA）涂層的氧化鐵納米粒子，帶有骨鈣蛋白（OPN）抗體，可用于高脂肪飲食小鼠模型中動脈粥樣硬化斑塊的MRI-光學(xué)雙模態(tài)檢測。

2.4 中樞神經(jīng)系統(tǒng)成像 Kim等[58]使用18F標記的(T-4)-[(1E,6E)-1,7-二[4-(二甲基氨基)苯基]-1,6-庚二烯-3,5-二酮]二氟化硼（18F-CRANAD-2）和其衍生物用于APP/PS1模型小鼠的腦成像。除了應(yīng)用于腦成像，多模態(tài)探針還可用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)藥物的藥代動力學(xué)監(jiān)測。反義寡核苷酸（ASO）由于其特定的分子靶向性和藥理特性成為治療中樞系統(tǒng)疾病的極具應(yīng)用前景的藥物[59]，已成功通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)的鞘內(nèi)（IT）遞送來治療脊髓性肌肉萎縮癥。然而對于ASO在IT區(qū)的藥代動力學(xué)和藥效學(xué)的特性仍然知之甚少。運用多模式成像方法可以闡明IT給藥后ASO的中樞神經(jīng)分布、清除和療效所依據(jù)的多種運輸途徑。為了確定IT給藥后ASO在神經(jīng)軸上的分布動力學(xué)，Mazur等[60]用125I標記了一種針對長非編碼RNA（RNAMalat1）的ASO，并通過SPECT/CT活體成像對其進行跟蹤。SPECT/CT圖像和全身自顯影確定了覆蓋脊髓、神經(jīng)根的腦膜、大腦底部以及腦觸角和上矢狀竇區(qū)域的高保留放射性信號，有助于對相關(guān)代謝途徑的研究。

3 前景與展望

Vahrmeijer等[61]提出，分子影像臨床應(yīng)用所需克服的最大阻礙即是要證明其臨床安全性，需要經(jīng)過人體實驗并取得臨床批準，這個過程可能需要耗費較長的時間。以納米材料為例，其在體內(nèi)的生物安全性就是制約其廣泛應(yīng)用于臨床的重要因素，評估其潛在的生物毒性需要較為漫長的實驗周期；其次是需要探尋制備能承載多種成像模式、靶向性好的探針的方法，得到尺寸適宜、水溶性與生物相容性都較好的探針；最后還需要考慮納米顆粒與靶向組件的藥代動力學(xué)問題，如何使兩者盡可能地匹配來實現(xiàn)協(xié)同成像，這將會是臨床應(yīng)用的一大挑戰(zhàn)[39]。隨著分子影像學(xué)的發(fā)展以及與其他技術(shù)間跨學(xué)科的交叉研究，新型的分子探針與成像設(shè)備的研發(fā)將是未來研究的熱點。現(xiàn)有的分子成像技術(shù)還無法滿足分辨率、可利用度等多個方面的需求，期望在將來能獲得安全、靈敏、診療一體化的多模態(tài)分子探針。