1、分子成像技術(shù)及應(yīng)用摘要：分子成像作為一個近些年發(fā)展起來的嶄新學(xué)科領(lǐng)域，是許多技術(shù)的簡稱，這些技術(shù)能 夠讓研究人員看到身體內(nèi)的基因、蛋白質(zhì)和其他起作用分子，使疾病在基因水平上的早期診 斷和監(jiān)測以及更進(jìn)一步地微觀評價療效成為可能。同時，體內(nèi)分子成像可在機(jī)體完整的微環(huán) 境狀態(tài)下觀察生物系統(tǒng)的病理過程。此外，與現(xiàn)今費(fèi)時耗力，且有創(chuàng)的檢查技術(shù)如組織活檢 分析技術(shù)相比，分子成像還可提供更為優(yōu)越的三維信息。未來10年內(nèi)分子成像可能取代乳 房X線照片、活體檢查和其他診斷技術(shù)。它使細(xì)胞功能可視化，并且能在生物活體內(nèi)部無 創(chuàng)地跟蹤分子過程。該領(lǐng)域的技術(shù)還可以用于許多疾病諸如癌癥、神經(jīng)和心血管疾病的早期 診斷。同時

2、，這項(xiàng)技術(shù)還可以通過優(yōu)化新藥物的臨床前和臨床測試來改進(jìn)臨床治療，這將 會由于其早期和準(zhǔn)確的診斷而帶來很大的經(jīng)濟(jì)影響。可以預(yù)見分子成像技術(shù)的迅速發(fā)展可 能導(dǎo)致臨床醫(yī)療的重大變革。關(guān)鍵詞：分子成像；分子探針；熒光成像；核磁成像；量子點(diǎn)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展可以分成結(jié)構(gòu)成像、功能成像和分子成像三個階段。分子成像，廣 義地可定義為在分子與細(xì)胞層次上對活體狀態(tài)下的生物過程進(jìn)行定征和測量。這一定義強(qiáng)調(diào) “活體狀態(tài)”（in vivo），強(qiáng)調(diào)對“生物過程”的定量測量，強(qiáng)調(diào)在“分子與細(xì)胞層次上” 的測量而不強(qiáng)調(diào)對分子或細(xì)胞本身的測量。也有人給出了另一個對生物醫(yī)學(xué)工作者來說更 完善的定義：“利用體外成像檢測器在細(xì)胞和

3、分子層次上對活體動物、模型系統(tǒng)和人體的生 物學(xué)過程進(jìn)行定征和測量” 1相對于傳統(tǒng)的活檢，分子成像的特點(diǎn)是：無創(chuàng)檢測，動態(tài) 采集和全面反映。分子成像技術(shù)涉及信息科學(xué)、放射醫(yī)學(xué)、化學(xué)物理學(xué)、生物學(xué)、核醫(yī)學(xué) 和臨床醫(yī)學(xué)等多個學(xué)科1，它是一門新興的交叉學(xué)科。近年來，由于紅偏移光蛋白、感應(yīng)熒 光底物、近紅外靶標(biāo)熒光造影劑等具有較高組織穿透力的熒光探針技術(shù)有了長足的發(fā)展，熒 光成像技術(shù)開始用于小動物模型內(nèi)部特異生物大分子活動規(guī)律的在體跟蹤和測量。光學(xué)分 子成像技術(shù)是整個領(lǐng)域新的熱點(diǎn)研究方向，核素標(biāo)記的分子成像是當(dāng)今分子成像的主流，核 素標(biāo)記的分子成像雖然已經(jīng)應(yīng)用于臨床，但是仍然存在大量需要解決的基礎(chǔ)科學(xué)問

4、題。熒光 標(biāo)記的光學(xué)分子成像正處于發(fā)展的初期，是分子影像學(xué)領(lǐng)域面臨突破的重點(diǎn)研究方向。在以 上提到的分子成像技術(shù)中，光學(xué)成像技術(shù)具有其他模態(tài)無法同時兼有的優(yōu)點(diǎn)而在此領(lǐng)域備 受關(guān)注，因?yàn)樗谔禺愋浴㈧`敏性、實(shí)時性和安全性等一系列重要指標(biāo)上具有明顯的優(yōu)勢。 盡管光學(xué)分子成像理論和技術(shù)在很多方面遠(yuǎn)未成熟，但它在生命科學(xué)研究中卻具有重要的 應(yīng)用價值，已經(jīng)引起了研究人員的廣泛重視。1分子成像的關(guān)鍵技術(shù)分子成像的關(guān)鍵技術(shù)主要包括分子探針技術(shù)、系統(tǒng)測量技術(shù)以及數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)三 個方面。1. 1分子探針技術(shù)分子探針是一種特殊的分子，它是分子成像技術(shù)的關(guān)鍵，它將特殊分子引入組織體內(nèi) 與特定的分子（被稱為靶分

5、子）特異性結(jié)合時產(chǎn)生信號，在體外可采用核磁共振（MRI）,正 電子發(fā)射計(jì)算機(jī)層析（PET）、CT和單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)層析（SPECT）、超聲以及光學(xué)設(shè)備進(jìn)行 成像。表1列出了各種分子成像設(shè)備中的分子探針特性。對小分子熒光探針來說，一般由兩部分組成：熒光團(tuán)以及與受體專一性高親和力結(jié)合 的配體。受體與目標(biāo)蛋白質(zhì)融合，通過受體與配體的相互作用來標(biāo)記蛋白質(zhì)。在分子成像 中，對小分子熒光探針的要求是：能夠與受體專一性穩(wěn)定結(jié)合，使其在進(jìn)行監(jiān)測的較長時 間（幾個小時）內(nèi)保持穩(wěn)定性；應(yīng)該可以穿過細(xì)胞膜并且無毒；探針盡可能地設(shè)計(jì)成一定的 模式，使得多種熒光團(tuán)能夠方便地結(jié)合，背景噪音水平盡可能低。選擇合適的受體可以

6、實(shí) 現(xiàn)對蛋白質(zhì)位點(diǎn)專一性結(jié)合。對于受體的選擇有以下兩個要求:1、受體與目標(biāo)蛋白質(zhì)融合 后必須能夠被基因表達(dá)；2、受體應(yīng)該盡可能小，以致不干擾目標(biāo)蛋白質(zhì)的正常生理功能， 因此較理想的受體是一段短序列的肽鏈并且能夠插入目標(biāo)蛋白質(zhì)的許多位點(diǎn)。而選擇適合 的受體-配體對可以實(shí)現(xiàn)對蛋白質(zhì)高靈敏度高親和力結(jié)合。一般說來，受體與配體的結(jié)合應(yīng) 當(dāng)盡可能快速進(jìn)行，有利于監(jiān)測時間敏感性的生理過程。受體-配體的作用一般包括半抗原 -抗體、生物素-抗生物素蛋白、酶-底物、聯(lián)砷熒光物質(zhì)與富含半胱氨酸的肽鏈之間的作用 等。常見的熒光分子探針有：FLASH型探針、AGT型探針、H a lo Tag型探針、PCP、ACP 型

7、探針、F36V型探針、“C lick”反應(yīng)型探針等3表1各種分子成像設(shè)備的分子探針特性成像設(shè) 備分子探針類 型定量程 度分子探針使用數(shù) 量對生物體的 干擾是否可用于人體掃 描MR I無需探針無可以PET放射性同位素標(biāo)記，直接或間接納克半衰期很短 的核素標(biāo)記可以CT無需探針未應(yīng)用未應(yīng)用輻射可以SPECT放射性同位素標(biāo)記，直接或間接納克半衰期很短 的核素標(biāo)記可以超聲可結(jié)合造影劑，效果更好無可以熒光成 像熒光染料或 熒光蛋白標(biāo) 記幾百萬個細(xì)胞微克毫克熒光染料可能有毒性目前沒有，在研究過程中生物體 自發(fā)光 成像無需探針， 需底物幾百個細(xì)胞毫克無目前沒有2分子成像技術(shù)分子成像技術(shù)包括超聲、正電子發(fā)射斷層

8、成像、CT、單光子發(fā)射斷層成像、光學(xué)成像和 核磁共振。超聲成像利用超聲微泡造影劑介導(dǎo)來發(fā)現(xiàn)疾病早期在細(xì)胞和分子水平的變化。 傳統(tǒng)CT和超聲成像技術(shù)是基于成像對象的理化特性，反映的是疾病的終末期狀態(tài)，無法反 映疾病早期發(fā)生、發(fā)展的分子變化和疾病的性質(zhì)。隨著具有更高的分辨率與靈敏度的微CT 出現(xiàn)，這項(xiàng)傳統(tǒng)技術(shù)也進(jìn)入分子成像領(lǐng)域，主要用于腫瘤學(xué)和骨科方面的研究。1. 2. 1核磁成像核磁共振的基本原理是原子核能夠自旋從而產(chǎn)生自旋磁場。原子核帶正電并有自旋運(yùn) 動，其自旋運(yùn)動必將產(chǎn)生磁矩，稱為核磁矩。在外磁場中，原子核自旋角動量的空間取向 是量子化的。依據(jù)核磁矩與自旋角動量的關(guān)系，核磁矩在外磁場中的取向

9、也是量子化的。 在外磁場中，具有磁矩的原子核具有相應(yīng)的能量。可見，原子核在外磁場中的能量也是量 子化的。由于磁矩和磁場的相互作用，自旋能量分裂成一系列分立的能級，相鄰的兩個能 級之差。用頻率適當(dāng)?shù)碾姶泡椛湔丈湓雍耍绻姶泡椛涔庾幽芰縣v恰好為兩相鄰核能級之差,則原子核就會吸收這個光子，發(fā)生核磁共振的頻率條件是：hv =AhB = AhB /2 n。對 于確定的核，旋磁比可被精確地測定。可見，通過測定核磁共振時輻射場的頻率，就能確 定磁感應(yīng)強(qiáng)度;反之，若已知磁感應(yīng)強(qiáng)度，即可確定核的共振頻率。當(dāng)有外加磁場時，原子 核的磁場發(fā)生變化從而對外表現(xiàn)出磁性。當(dāng)沒有外加磁場時，原子核的磁場方向雜亂無章,

10、 所以被檢測目標(biāo)呈磁中性。當(dāng)停止外部磁場，被磁化的原子核把吸收的能量釋放出來，恢 復(fù)到它以前的狀態(tài)，這一恢復(fù)過程為弛豫過程。磁共振成像的最大優(yōu)點(diǎn)是它是目前少有的 對人體沒有任何傷害的安全、快速、準(zhǔn)確的臨床診斷方法。1. 2. 2核素成像核素成像主要有兩種模式，即單光子發(fā)射斷層成像(SPECT)和正電子發(fā)射斷層成像(PET),常用于追蹤小量標(biāo)記基因藥物和進(jìn)行基因治療中載體的傳送研究發(fā)現(xiàn)易于為核 素標(biāo)記的既定靶目標(biāo)底物的存在等方面，在目前的分子影像學(xué)研究中占據(jù)著極其重要的地 位。由于伽瑪射線具有很強(qiáng)的組織穿透性，較高的探測靈敏感性不會因?yàn)榉肿犹结樕疃鹊?增加而減弱。核素成像最顯著的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的

11、靈敏度。PET的不足之處是需要回旋加速器產(chǎn)生放射性同位素而同位素的半衰期較短，且不宜 同時檢測多種探針，且設(shè)備價格昂貴。相對PET來說，SPECT最大的缺點(diǎn)就是只能夠進(jìn)行半 定量分析。1. 2. 3光學(xué)分子成像技術(shù)活體動物體內(nèi)光學(xué)成像主要有熒光成像和生物體自發(fā)光成像兩種技術(shù)。熒光技術(shù)則采用熒光報告基團(tuán)(GFP、RFP),或Cy t及Dyes等熒光染料進(jìn)行標(biāo)記，利用報告 基因產(chǎn)生的生物發(fā)光、熒光蛋白質(zhì)或染料產(chǎn)生的熒光就可以形成體內(nèi)的生物光源 利用靈敏 的光子成像技術(shù)可以從動物體表檢測到組織內(nèi)部的生物光源使研究人員能夠直接監(jiān)控活體 生物體內(nèi)的細(xì)胞活動和基因行為。常用的有紅色熒光蛋白(DsRed)、

12、綠色熒光蛋白(GFP) 及其他熒光報告基團(tuán)，標(biāo)記方法與體外熒光成像相似。熒光成像的優(yōu)點(diǎn)是費(fèi)用低廉和操作 簡單。紅光的穿透性在體內(nèi)比藍(lán)綠光的穿透性要好得多，因此觀測生理指標(biāo)的最佳選擇為 近紅外熒光。目前的技術(shù)采用不同的原理來盡量降低背景信號，從而獲取機(jī)體中熒光的準(zhǔn) 確信息，這以GE - ART公司的時域(T im e- Dom a in, TD)光學(xué)分子成像技術(shù)及精諾真公 司和CR I公司采用的光譜分離技術(shù)為熒光成像的主要代表。對于生物體自發(fā)光成像和熒光 成像來說，后者的缺點(diǎn)是自熒光背景相當(dāng)程度地限制了探測靈敏度，優(yōu)勢在于多數(shù)熒光探 針具有設(shè)計(jì)上的高度特異性和較高的量子效率，因而可產(chǎn)生適合現(xiàn)有探

13、測技術(shù)的穩(wěn)健信號; 而生物體自發(fā)光成像的成像物體不需要外源激發(fā)，無自熒光背景干擾問題，具有超高的靈 敏度，但微弱的自發(fā)光信號對探測技術(shù)提出了極高的要求，并且該模態(tài)原則上不能用于臨 床應(yīng)用，僅限于基因工程細(xì)胞或轉(zhuǎn)基因類動物。總的來說，光學(xué)成像價格較低廉且具有一 個顯著優(yōu)點(diǎn)，即它允許具有不同光譜特征的探針進(jìn)行多通道成像。生物發(fā)光是用熒光素酶基因標(biāo)記細(xì)胞或DNA0目前應(yīng)用較多的報告基因是螢火蟲熒光素 酶基因，其基因表達(dá)產(chǎn)物螢火蟲素酶可以和從體外導(dǎo)入的螢火蟲素(Lucifer in)發(fā)生反應(yīng) 而發(fā)出近紅外熒光，并可被CCD相機(jī)捕獲。自1997年Contag首次觀察到表達(dá)Fluc基因的轉(zhuǎn) 基因小鼠在注入

14、熒光素酶底物后的生物發(fā)光現(xiàn)象以來熒光素酶被廣泛應(yīng)用于小動物成像 技術(shù)。由于生物組織一般在紅外線范圍( 900 nm )及可見光范圍(350600 nm )有較 高的光吸收；而在近紅外區(qū)域(600 900 nm )生物分子的光吸收降到最低，大量的光可以 穿過組織和皮膚而被檢測到。生物發(fā)光的最大特點(diǎn)是極高的靈敏度。表2和表3分別列舉了各分子成像設(shè)備的探測特性以及各分子成像方法的應(yīng)用領(lǐng)域和優(yōu) 缺點(diǎn)。表2各分子成像設(shè)備的探測特點(diǎn)成像設(shè)備成像輻射光空間分辨率 譜深度時間分辨率靈敏性MR IRadio wave 25 100 um無限制min h10-3 10-5 mol/LPET高能量射線 1 2 mm

15、無限制s min10-11 10-12 mol/LCTx 射線50 200 um無限制min未測量SPECT低能量射線1 2 mm無限制min10-10 10-11 mol/L超聲高頻率聲波 50 500 ummm cms min可能 10- 9 10- 12mol/L熒光成像可見光，近 2 3 mm小于1 cms min可能 10- 9 10- 12紅外光mol/L生物體自發(fā)可見光3 5 mm1 2 cms min可能 10-15 10- 17光成像mol/L表3各分子成像方法的應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)缺點(diǎn)成像設(shè)備主要應(yīng)用領(lǐng)域優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)MR I形態(tài)學(xué)極高的空間分辨率，相對低的靈敏性，掃結(jié)合形態(tài)學(xué)和功能學(xué)描

16、和后加工時間長，成像。需要極大量的探針。PET報告基因表達(dá)，小分高靈敏性，同位素自需要回旋加速器或發(fā)子示蹤然替代靶分子，可進(jìn)生器，相對低的空間仃定量移動研究。分辨率，輻射損害，價格昂貴。SPECT報告基因表達(dá)，小分同時使用多種分子探相對較低的空間分辨子示蹤針，能同時成像，適率，輻射損害。于用作臨床成像系統(tǒng)。熒光成像報告基因表達(dá)，細(xì)高靈敏性，可以檢測相對低空間分辨率，胞、病毒、細(xì)菌等示活細(xì)胞和死細(xì)胞的熒靈敏度低，特異性蹤，蛋白和小分子示光信號。差。蹤生物體自發(fā)光成像報告基因表達(dá)，細(xì)極高的靈敏度，快低空間分辨率，通常胞、病毒、細(xì)菌示蹤速，方便，低成本，是二維成像。相對高通量。2熒光分子成像技術(shù)熒光

17、分子成像技術(shù)4 一直是生物醫(yī)學(xué)研究中的一個重要工具。隨著基因和蛋白質(zhì)高通 量篩選技術(shù)的廣泛應(yīng)用、基因病理學(xué)研究的深入以及組合化學(xué)技術(shù)的成熟，人們逐漸能夠準(zhǔn) 確辨識與特種疾病關(guān)聯(lián)的異常基因及其表達(dá)蛋白模式進(jìn)而設(shè)計(jì)和合成具有靶分子綁定或 激活功能的特異熒光探針。熒光成像的應(yīng)用也從一般的對比度增強(qiáng)功能迅速延伸至生物醫(yī) 學(xué)研究的分子層面，如蛋白質(zhì)功能剖析、基因表達(dá)模式描述、蛋白質(zhì)相互作用測定和細(xì)胞生 理通道辨明等。2. 1熒光分子成像研究現(xiàn)狀近年來，由于光電子技術(shù)的飛速發(fā)展和光學(xué)測量的直接性，更重要的是熒光分子成像 所具有的超高的探測靈敏度和生化特異性，熒光成像技術(shù)開始用于小動物模型內(nèi)部特異生 物大分

18、子活動規(guī)律的在體跟蹤和測量。現(xiàn)有的熒光分子成像主要采用基于反射光強(qiáng)度測量的 平面模式，所測光強(qiáng)直接反映探針與靶標(biāo)分子的作用程度。熒光成像技術(shù)的發(fā)展一直遵循 著兩個基本趨勢：1、結(jié)合近紅外熒光探針技術(shù)和近紅外擴(kuò)散光學(xué)層析(DOT)理論以實(shí)現(xiàn)生 物活體內(nèi)特異大分子生化過程的無損三維定量觀測，即熒光擴(kuò)散光層析(FDOT)。2、研究 面向熒光壽命測量的成像方法以增強(qiáng)成像對比度和有效擴(kuò)展靶分子及其環(huán)境信息即熒光 壽命成像(FLI)。FDOT技術(shù)已經(jīng)在頻域和連續(xù)光兩種測量模式上獲得原理性實(shí)現(xiàn)并成功用 于離體測試和在體蛋白酶獲得觀測，而時域FDOT模式研究則處于基本測量技術(shù)和理論體系 建立階段，但該測量模式

19、在DOT應(yīng)用中已經(jīng)顯示出的明顯技術(shù)優(yōu)勢以及高靈敏時間分辨測 量技術(shù)的快速進(jìn)步而使其備受重視，它在本質(zhì)上提供了有效分離熒光發(fā)射率和壽命圖像的 多參數(shù)同時重建能力和多組分分析能力5可以預(yù)計(jì)，時域FDOT技術(shù)將成為該領(lǐng)域未來的 研究重點(diǎn)和發(fā)展趨勢。2熒光分子成像研究的意義熒光分子層析技術(shù)在細(xì)胞和分子生物學(xué)、功能基因組和蛋白組學(xué)、腫瘤診斷學(xué)以及制藥 學(xué)等諸多重要科學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前FDOT的應(yīng)用因?yàn)槭芴綔y深度和探針效率 的限制，主要定位于小動物模型，相信隨著探針性能和成像技術(shù)的提高，它有望直接應(yīng)用 于人體器官。與常規(guī)的離體檢測和細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)相比，活體小動物FDOT技術(shù)具有以下獨(dú)特 的應(yīng)用優(yōu)

20、勢。可潛在地作為轉(zhuǎn)基因和基因標(biāo)志動物模型顯型篩選的有力工具：生存期內(nèi)的重復(fù) 成像使變異調(diào)查變得簡單易行；支持復(fù)雜顯型分析所需的多探針成像策略；允許同時進(jìn)行 顯型觀測和分析；排除了動物致死進(jìn)行顯型確定的極端方式。在藥物開發(fā)的早期階段可極為有效地用于靶標(biāo)蛋白分子的驗(yàn)證、候選化合物評估、 靶標(biāo)與化合物的毒性反應(yīng)測試和療效評估等，從而在顯著發(fā)生顯型變化之前即可排除副作 用明顯的候選藥物，大大縮短藥物開發(fā)的臨床前實(shí)驗(yàn)周期。可在體確定與生物學(xué)過程相關(guān)聯(lián)的特異分子探針在無損生物體內(nèi)的時空分布能 真實(shí)反映復(fù)雜生物結(jié)構(gòu)和整體生命系統(tǒng)的動力學(xué)過程，使得基因/蛋白質(zhì)功能和交互作用的 測定更加容易。可實(shí)現(xiàn)所調(diào)查生物過

21、程的定量分析，而動態(tài)分子層析的實(shí)現(xiàn)將使生物現(xiàn)象的四維 信息獲取變得簡便、快速；能實(shí)現(xiàn)同一動物模型的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，有效揭示生物參數(shù)的動態(tài)演變 規(guī)律和評估治療時間反應(yīng)特征，大幅減少實(shí)驗(yàn)所需動物的數(shù)量，從而降低研究成本。3分子成像的發(fā)展前景近年來出現(xiàn)的量子點(diǎn)(Quantum Dots)新技術(shù)發(fā)展為分子成像的新領(lǐng)域。量子點(diǎn)又稱 為半導(dǎo)體納米微晶體，是一種理想的新型熒光探針。QDs與傳統(tǒng)的染色分子相比，有許多優(yōu) 點(diǎn)：QDs的色彩非常豐富(這是它最大的優(yōu)點(diǎn))、光化學(xué)穩(wěn)定性好、光強(qiáng)度高；能夠承受多 次的激發(fā)和光發(fā)射，有持久的穩(wěn)定性；具有良好的生物相容性和無毒或低毒性；如果將QDs 與配體、抗體或藥物偶聯(lián)起來，可以對體內(nèi)特定腫瘤進(jìn)行跟蹤，甚至達(dá)到摧毀癌細(xì)胞的目的。 因此，量子點(diǎn)技術(shù)有望推動分子成像技術(shù)和生物制藥技術(shù)的迅猛發(fā)展給疾病的早期診治 提供先進(jìn)的工具。但是，量子點(diǎn)在生物學(xué)中的應(yīng)用研究才剛剛起步，還有許多領(lǐng)域有待開 拓和發(fā)展，存在一些待解決的問題。例如提高QDs性能、研制新型QDs、了解QDs在體內(nèi)