分子影像技術(shù)在獸醫(yī)臨床診斷中的應(yīng)用研究進(jìn)展

張向前,王曉艷,吳智敏,周青青,周 涵,鄧干臻*

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物醫(yī)學(xué)院,湖北 武漢 430070;2.重慶三峽職業(yè)學(xué)院 動(dòng)物科技學(xué)院,重慶 404155)

分子影像技術(shù)(molecular imaging)是由醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和分子生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、放射醫(yī)學(xué)、核醫(yī)學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合的一門新學(xué)科,運(yùn)用影像技術(shù)手段顯示組織、細(xì)胞和亞細(xì)胞水平的特定分子,采用影像技術(shù)從活體狀態(tài)下分子水平變化對其生物學(xué)行為進(jìn)行定性和定量研究的科學(xué)[1]。經(jīng)典的影像診斷(X線、CT、MR、超聲等)主要顯示的是一些分子改變的終效應(yīng),即具有解剖學(xué)改變的疾病;而分子影像技術(shù)是將分子生物學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展的新工具、試劑及方法,在尚無解剖改變之前即能探查出疾病過程中細(xì)胞和分子水平的異常,對探索疾病的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)歸,早期診斷和評價(jià)藥物療效等方面具有重要的意義,也是連接分子生物學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)之間的橋梁[2-3]?，F(xiàn)今,分子影像技術(shù)也在獸醫(yī)臨床中得到發(fā)展與應(yīng)用。本研究從對比增強(qiáng)超聲、近紅外光學(xué)成像、正電子發(fā)射斷層掃描(PET)分子影像3個(gè)方面探討分子影像的前沿技術(shù),并列舉這些技術(shù)在獸醫(yī)臨床診斷中的應(yīng)用實(shí)例。

1 對比增強(qiáng)超聲技術(shù)

對比增強(qiáng)超聲技術(shù)(contrast-enhanced ultrasound,CEUS)又稱超聲造影技術(shù),是近年來發(fā)展起來的一種全新的超聲探查技術(shù),使超聲探查技術(shù)產(chǎn)生了革命性的飛躍。靜脈注射造影劑能夠大大增強(qiáng)超聲對組織血流灌注的探測能力,能夠更清晰地顯示正常及病變組織的細(xì)微血管結(jié)構(gòu),提供重要的診斷信息[4]。與其他影像技術(shù)相比,對比增強(qiáng)超聲技術(shù)具有穩(wěn)定性高、持續(xù)時(shí)間較長、信號(hào)增強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),能更直觀、快速地觀察組織的灌注情況,從而避免短時(shí)間內(nèi)有用信息的丟失。

在獸醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究中,對比增強(qiáng)超聲的文獻(xiàn)報(bào)道主要用于造影劑對健康犬、貓的安全性評估、造影劑對貓腎臟的影響和對犬前列腺疾病的診斷等。SEILER等[5]在2002—2011年間對750只犬和貓(411只病例犬、238只對照犬;77只病例貓、24只對照貓)進(jìn)行了對比增強(qiáng)超聲安全性評估。在411只病例犬中,3只立即出現(xiàn)不良事件(嘔吐或暈厥),1只延遲出現(xiàn)不良事件(嘔吐),沒有臨床病例貓發(fā)生不良事件。357只臨床病例犬中的23只(6.4%)、262只臨床病例對照犬中的14只(5.3%),在超聲檢查后24 h內(nèi)死亡,病例組和對照組的死亡風(fēng)險(xiǎn)沒有差異。因此,造影劑增強(qiáng)超聲檢查對犬相對安全,且對貓更安全。2011年,LEINONEN等[6]通過血常規(guī)、生化指標(biāo)檢測評估對比增強(qiáng)超聲及其造影劑對8只家養(yǎng)短毛貓腎臟的影響,結(jié)果表明,對比增強(qiáng)超聲可以安全地用于評價(jià)貓的腎臟血流灌注。STOCK等[7]通過對比增強(qiáng)超聲檢查43只不同年齡段(1～16歲)的健康貓進(jìn)行腎臟血流灌注,非侵入性地評價(jià)衰老對腎臟的退行性影響 (圖1A),結(jié)果顯示不同年齡組間無顯著性差異。在比較10歲以上的貓和1～3歲的貓時(shí),發(fā)現(xiàn)老齡貓有曲線下較低的峰值增強(qiáng)和沖洗面積,表明血容量較低。此外,雖然在10歲以上的健康貓中觀察到更高的血壓,但血清和尿液指標(biāo)沒有顯著的年齡影響。2011年,VIGNOLI等[8]采用對比增強(qiáng)超聲評估血流灌注動(dòng)力學(xué)對犬前列腺疾病進(jìn)行診斷,通過測量達(dá)峰造影強(qiáng)度(TTP)和峰值灌注強(qiáng)度(PPI)的時(shí)間評估了10只前列腺健康犬和26只前列腺病犬(組織病理學(xué)診斷為良性前列腺增生11例,混合良性病理9例,前列腺炎1例,前列腺惡性腺癌4例,平滑肌瘤1例)的犬前列腺的血流灌注水平。活檢證實(shí)前列腺正常(n=10)(圖1B),結(jié)果顯示,惡性前列腺疾病犬的灌注值與健康犬不同,腺癌的PPI較高但TTP較低,而平滑肌瘤的PPI較低但TTP較高。造影劑增強(qiáng)超聲可顯示血流灌注差異,能區(qū)分惡性和良性病變,但需要對更多動(dòng)物進(jìn)行研究。

A.顯示對比增強(qiáng)超聲評估衰老對健康貓腎臟的影響[7];B.注射造影劑后6歲杰克羅素梗犬(最終診斷為平滑肌肉瘤)不同時(shí)間段的對比增強(qiáng)超聲檢查聲像圖[8]

2 近紅外熒光成像技術(shù)

在光學(xué)成像中,近紅外熒光(near-infrared fluorescence,NIRF)波長在700～1 000 nm之間,生物組織對該范圍波長的吸收較低,自發(fā)熒光較少,因此可以最大限度減少背景干擾、增強(qiáng)組織的穿透深度和影像的靈敏性,從而實(shí)現(xiàn)對深部組織的成像。相比于傳統(tǒng)的成像方法,它可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)成像,提供直觀的視覺引導(dǎo),且具有較強(qiáng)的組織穿透力(10～12 mm),并且無電離輻射等危害[9]。

近紅外熒光成像技術(shù)主要由熒光探針和成像系統(tǒng)組成。首先通過靜脈或局部注射熒光染料,再運(yùn)用激光設(shè)備將該染料激發(fā),成像系統(tǒng)捕捉其產(chǎn)生的發(fā)射光,并通過高級數(shù)據(jù)處理技術(shù)形成實(shí)時(shí)影像。該成像技術(shù)作為一種新的成像方法,在犬、貓前哨淋巴結(jié)顯影和血管顯影得到了初步應(yīng)用,尤其是在腫瘤定位及外科手術(shù)導(dǎo)航等方面展示出了良好的臨床效果。目前,吲哚青綠(ICG)、亞甲藍(lán)(MB)和5-氨基乙酰丙酸(5-ALA)3種非特異性熒光團(tuán)已獲得美國食品和藥物管理局(FDA)和歐洲藥品管理局(EMA)的批準(zhǔn)[10](圖2)。此處以ICG為例,對與動(dòng)物相關(guān)的研究予以介紹。

圖2 美國食品和藥物管理局批準(zhǔn)的近紅外熒光探針的結(jié)構(gòu)式[10]

由于ICG具有良好的組織滲透力、低生物體干擾性、低毒性等優(yōu)點(diǎn),受到了生物醫(yī)藥界的廣泛關(guān)注。這種染料經(jīng)靜脈注射后,在體內(nèi)可以迅速地與血漿蛋白緊密結(jié)合,從而產(chǎn)生熒光信號(hào),且不改變血漿蛋白的結(jié)構(gòu),并由肝臟代謝入膽汁排出[11]。2013年,PIRIE等[12]通過靜脈注射ICG和熒光素鈉(SF)對10只正常比格犬眼的前段血管造影,結(jié)果顯示,盡管有很多顏色的虹膜,但使用ICG可清晰地顯示所有犬眼中的虹膜脈管系統(tǒng)及其血流動(dòng)力學(xué)。注射后6.6 s即可觀察到動(dòng)脈大環(huán)的填充并持續(xù)3.5 s。在動(dòng)脈大環(huán)發(fā)出熒光后不久,可觀察到橈纖毛動(dòng)脈和橈虹膜動(dòng)脈的熒光(圖3A)。而使用SF的前段血管造影無法清晰地顯示任何犬眼中的虹膜脈管系統(tǒng),且在后期觀察到SF存在于眼前房中。因此,使用ICG的血管造影技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢并提高了可視化效果。2018年,FAVRIL等[13]對6只健康比格犬腹股溝、腋窩和腘窩區(qū)域連續(xù)皮下注射ICG和充氣的六氟化硫微泡,以近紅外成像和對比增強(qiáng)超聲繪制前哨淋巴結(jié)圖(sentinel lymph node,SLN)(圖3B)。結(jié)果表明,經(jīng)皮下的18次近紅外熒光成像檢查中有17次檢測到SLN,而對比增強(qiáng)超聲在所有區(qū)域中都識(shí)別出了SLN(18/18)。經(jīng)皮下的NIR熒光成像和對比增強(qiáng)超聲對SLN可視化檢測都是靈敏、安全、實(shí)用和廉價(jià)的策略。1990年,REYNOLDS等[14]首次將ICG熒光造影劑應(yīng)用于臨床自發(fā)性犬乳腺腫瘤成像。2013年,日本大學(xué)IIDA等[15]對患有肝臟結(jié)節(jié)的犬進(jìn)行了NIR熒光引導(dǎo)下的手術(shù),從6只犬身上手術(shù)切除了12個(gè)肝臟結(jié)節(jié),其中6個(gè)被診斷為肝細(xì)胞癌,6個(gè)被診斷為結(jié)節(jié)性增生,并在其中的4個(gè)大的肝細(xì)胞癌結(jié)節(jié)和1個(gè)增生結(jié)節(jié)中觀察到ICG綠色熒光。結(jié)果表明,ICG成像對肝細(xì)胞癌的敏感性和陽性預(yù)測值為71.4%和80.0%。2020年,NEWTON等[16]將患有乳腺腫瘤的犬在ICG給藥后20 h進(jìn)行腫塊切除術(shù)。16只母犬中有41個(gè)乳腺腫瘤,其中20個(gè)腫瘤為惡性腫瘤,21個(gè)為良性腫瘤。在41個(gè)瘤體中的28個(gè)發(fā)現(xiàn)熒光,其中所有惡性腫瘤的熒光敏感性為80.0%,大于2 cm的惡性腫瘤的熒光敏感性為93.3%(14/15)。與小于2 cm腫瘤相比,大于2 cm的腫瘤更容易具有熒光,但癌的可能性不大(<2 cm=55%,>2 cm=30%),說明ICG對惡性腫瘤的特異性較低。2021年,QUINLAN等[17]使用ICG對2只上眼瞼腫塊的貓進(jìn)行近紅外成像使耳尾皮瓣的血管可視化,以重建貓的眼眶皮膚缺陷從而提高皮瓣存活率 (圖3C)。2022年,ARZ等[18]對1只11歲患有皮膚肥大細(xì)胞瘤雌性家貓進(jìn)行基于ICG實(shí)時(shí)淋巴造影,以檢測所有原發(fā)性肥大細(xì)胞瘤的皮膚引流模式(圖3D)。ICG在每個(gè)腫瘤周圍的4個(gè)象限內(nèi)皮內(nèi)注射,并且在注射后不久呈現(xiàn)清晰的淋巴影像。使用近紅外淋巴造影作為指導(dǎo),所有淋巴結(jié)在12 min或更短的時(shí)間內(nèi)成功切除。所有肥大細(xì)胞瘤均被歸類為低度皮膚肥大細(xì)胞瘤,且沒有記錄到與近紅外成像相關(guān)的并發(fā)癥。

在臨床的應(yīng)用過程中,由于ICG是非靶向探針,其累積不僅局限于癌組織,還可能少量積聚在炎癥組織及創(chuàng)傷區(qū)域,因而在高通透性和滯留效應(yīng)的初期階段特異性降低。由于腫瘤組織淋巴引流結(jié)構(gòu)的缺失,其在腫瘤組織中的滯留率仍遠(yuǎn)大于炎癥組織,在術(shù)中導(dǎo)航的應(yīng)用中,盡管校正后可提供定量測量,但也僅能推斷出定性信息,評價(jià)熒光信號(hào)具有主觀性。因而,相關(guān)技術(shù)仍需要更多的研究予以優(yōu)化和拓展。

3 正電子發(fā)射型電子計(jì)算機(jī)斷層顯像技術(shù)

正電子發(fā)射型電子計(jì)算機(jī)斷層顯像技術(shù)(positron emission computed tomography,PET)是核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中一項(xiàng)先進(jìn)的成像技術(shù),由探測系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)、影像顯示和掃描床組成,利用正電子放射性核素湮沒輻射后,產(chǎn)生1對能量相同(511 keV)方向相反的強(qiáng)穿透γ光子,被探測器檢測并轉(zhuǎn)換為空間位置和能量信號(hào),經(jīng)計(jì)算機(jī)處理重構(gòu)出不同的斷層影像。由于其可反映疾病的生理功能變化,因此被稱為“活體生化顯像”。PET/CT將PET的功能成像及CT的解剖學(xué)信息相結(jié)合,在分子水平上顯示組織細(xì)胞的代謝、功能、血流、細(xì)胞增殖和受體分布等,對疾病作出診斷,并可評估新療法的藥效學(xué)和藥代動(dòng)力學(xué)水平、早期測量和預(yù)測患者的治療反應(yīng)。PET/CT已被廣泛應(yīng)用于腫瘤、心血管疾病、神經(jīng)功能病變等方面,成為不可或缺的重要影像設(shè)備。獸醫(yī)對PET/CT研究相對較少,但初步研究表明,其有希望提高惡性腫瘤的檢測,更好地對犬的癌癥分期、早期預(yù)測治療效果和評估疾病復(fù)發(fā)[19-20]。

PET有多種放射性示蹤劑可供選擇,常見放射性核素包括18F、11C、15O、13N 等。18F是最常用的正電子發(fā)射劑,因?yàn)槠渚哂欣硐氲陌胨テ?109.8 min)和高正電子峰度,可形成穩(wěn)定的C-F化學(xué)鍵,有助于多步標(biāo)記反應(yīng)和延遲成像。目前,臨床應(yīng)用最廣泛的18F-FDG就是脫氧葡萄糖(DG)鍵加氟制備而成。18FDG與葡萄糖類似,通過1組結(jié)構(gòu)上相關(guān)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞中。因此,18F-FDG是代謝活性的極好分子標(biāo)志物,對于優(yōu)先利用葡萄糖進(jìn)行糖有氧和酵解代謝的組織細(xì)胞,如腫瘤組織細(xì)胞,因增加的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白數(shù)量,采用PET技術(shù)可顯示腫瘤組織增強(qiáng)的影像。然而,18F-FDG的攝取不僅存在于腫瘤組織中,還存在于糖代謝較旺盛的炎癥灶內(nèi)。

18FDG在正常的犬和貓中的組織分布都有相關(guān)報(bào)道研究[21-22]。對7只正常幼犬進(jìn)行了2 h18FDG注射動(dòng)態(tài)研究,獲得了胸腹器官的攝取數(shù)據(jù)(圖4A)。18FDG注射后60 min的標(biāo)準(zhǔn)吸收值與正常人相似,在肝臟、脾臟、血池和心肌中的攝取較低,但在腎臟和胸腺中較高。對6只成年貓的胸部和腹部18FDG分布研究發(fā)現(xiàn),與犬和人類相比,貓的肝臟和腎臟18FDG 標(biāo)準(zhǔn)吸收值較低,但心室、心肌攝取較高。由于貓科動(dòng)物的專性食肉特性,盡管預(yù)掃描前禁食了12～18 h,但仍有大量的心肌攝取18FDG。與犬類和人類研究相反,貓的大腸的標(biāo)準(zhǔn)吸收值與人類的相當(dāng),但脾臟無法因18FDG-PET掃描而顯影增強(qiáng)。2021年,CHAE等[23]使用 PET/CT比較了7只健康貓和6只健康比格犬在生理狀態(tài)下18FDG的攝取。結(jié)果顯示,18FDG在犬和貓的大腦中有最高的標(biāo)準(zhǔn)吸收值,在貓的顱內(nèi)吸收明顯高于犬。在消化系統(tǒng)中,犬的十二指腸和空腸的18FDG標(biāo)準(zhǔn)吸收值明顯高于貓。貓的下頜下尖端、扁桃體、膽囊頸部和尾丘腦的18FDG攝取存在生理性增加。這些信息有助于提高貓癌癥診斷的準(zhǔn)確性,并有助于了解貓和犬的葡萄糖代謝特征。

18FDG-PET掃描技術(shù)在動(dòng)物腫瘤方面的研究較多。2013年,RANDALL等[24]對12只經(jīng)活檢證實(shí)患有口腔鱗狀細(xì)胞癌的貓進(jìn)行全身18F-FDG-PET/CT成像,以期確定其作為診斷成像和分期工具的價(jià)值,并獲得癌細(xì)胞可浸潤區(qū)域的淋巴結(jié)的細(xì)針抽吸物。所有腫瘤在18FDG -PET/CT影像上均明顯可見,最大標(biāo)準(zhǔn)攝取值的平均值高達(dá)(9.88±5.33)。軟組織浸潤性腫瘤在CT影像上細(xì)微難以分辨,但在18FDG-PET/CT影像上高度清晰并可見其更廣泛的分布。2019年,SNCHEZ等[25]用18FDG對8只患有乳腺腫瘤的母犬機(jī)型PET/CT檢測,通過最大標(biāo)準(zhǔn)攝取值分析葡萄糖的攝入量,并與瘤體大小和良惡性病理進(jìn)行相關(guān)分析 (圖4B)發(fā)現(xiàn),根據(jù)最大標(biāo)準(zhǔn)攝取值區(qū)分惡性病變所需的最小瘤體為1.5 cm;當(dāng)瘤體小于1.5 cm時(shí),良性和惡性病變的葡萄糖攝取沒有差異。綜合分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),當(dāng)瘤體大于1.5 cm且最大標(biāo)準(zhǔn)攝取值大于2時(shí),腫瘤診斷的陽性符合率為100%。2021年,CHEN等[26]使用18FDG -PET/CT指導(dǎo)高級別B細(xì)胞淋巴瘤貓的臨床治療,發(fā)現(xiàn)多灶性放射性藥物攝取增加,表明疾病發(fā)生在多個(gè)器官。

此外,PET也被用于檢測炎癥和神經(jīng)系統(tǒng)疾病,如犬壞死性腦膜炎、芽生菌性皮炎以及不明原因的發(fā)熱[27-28]。最近,PET的骨科用途引起了獸醫(yī)的興趣。2016年,MANN等[29]將18FDG用于犬的前肢跛行的診斷,發(fā)現(xiàn)18FDG在右前臂的右屈肌腕尺肌肉中的攝取增加,并且在相應(yīng)的CT影像中顯示肌肉大小和密度(約20 HU)的輕度增加。診斷性超聲檢查顯示其存在與右屈肌腕尺肌撕裂一致的低回聲區(qū)域。因此,對于臨床診斷不明確的肌肉骨骼炎癥或損傷,18FDG PET-CT影像技術(shù)可提供診斷所需寶貴的病理生理和解剖學(xué)信息。

PET以其在腫瘤分期中的應(yīng)用而聞名,可用的放射性示蹤劑陣列可提供多種應(yīng)用。該技術(shù)的功能特性不僅適用于腫瘤的代謝活動(dòng),還適用于骨重塑、炎癥和疼痛的評估。隨著技術(shù)的發(fā)展,包括成本的降低和高分辨率掃描儀的可用性,PET在獸醫(yī)中的使用很可能在未來持續(xù)增長。

4 獸醫(yī)分子影像技術(shù)的展望

在過去的20年,隨著分子影像技術(shù)的快速融合發(fā)展,分子影像成像技術(shù)能將探測對象的解剖影像、功能影像和代謝影像進(jìn)行采集和整合分析,動(dòng)態(tài)了解細(xì)胞、組織、器官的形態(tài)、功能及各種物質(zhì)代謝的變化情況為臨床醫(yī)學(xué)和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)提供了更為實(shí)用和有效的診斷和研究手段,將在疾病的早期檢測、診療和藥物開發(fā)中發(fā)揮重要的作用。然而,分子影像學(xué)技術(shù)仍存在一些不足,例如:對比增強(qiáng)超聲的造影劑微泡分子量較大,組織穿透力相對減弱,靜脈注射后實(shí)際達(dá)到靶組織濃度低,顯像效果欠佳;光學(xué)成像的探針發(fā)出的波長范圍固定,無法適用于所有腫瘤的檢測,分子探針缺乏靶向性與靶點(diǎn)結(jié)合時(shí)存在非特異性結(jié)合等問題。因此,設(shè)計(jì)開發(fā)具有靶向性、信號(hào)放大效應(yīng)、對疾病微環(huán)境高度特異性的分子成像探針對分子影像學(xué)的實(shí)現(xiàn)和發(fā)展至關(guān)重要。同時(shí),將影像學(xué)探針的功能進(jìn)一步拓展,如同一體系的多模態(tài)成像技術(shù)等提高對疾病的診斷水平?？傊?通過醫(yī)學(xué)技術(shù)進(jìn)步和轉(zhuǎn)化,獸醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)?huì)越來越多地開展分子影像技術(shù)研究和臨床應(yīng)用,尤其是在腫瘤和炎性疾病領(lǐng)域。