分子影像研究中分子探針技術(shù)的進展

1、分子影像研究中分子探針技術(shù)的進展鍵詞:分子影像學(xué)分子探針分子醫(yī)學(xué)的發(fā)展已經(jīng)從根本上改變傳統(tǒng)臨床醫(yī)學(xué)的檢測、診斷和治療的模式。分子醫(yī)學(xué)包括分子診斷、分子治療和分子影像三個部分。分子診斷是在體外以蛋白、RNA和DNA水平對疾病進行早期、特異性診斷，并對疾病治療效果進行監(jiān)測。分子治療是阻止疾病發(fā)生、發(fā)展的關(guān)鍵步驟，在分子水平上進行特異性阻斷或抑制，以達到預(yù)防和治愈疾病的目的。分子影像的誕生為疾病研究和診斷建立了一個全新的平臺。分子影像技術(shù)的關(guān)鍵核心是分子探針。本文介紹分子影像探針技術(shù)的進展，希望我國分子影像工作者能夠從分子影像學(xué)關(guān)鍵技術(shù)入手，加速我國分子影像技術(shù)的發(fā)展。為了系統(tǒng)闡述分子探針的制備和進

2、展，我們從分子影像學(xué)簡介、分子探針原理和制備、分子探針制備中注意的問題和分子探針的進展四個部分進行介紹。一 分子影像學(xué)簡介分子影像學(xué)包括臨床前期分子影像研究和臨床分子影像應(yīng)用兩個部分。目前只有SPECT/CT、SPECT、PET、PET/CT、MRI(MRS)和分子熒光成像能夠勝任臨床分子影像工作。分子影像和目前的醫(yī)學(xué)影像相比具有高特異性、高靈敏度和高圖像分辨率等特點，能夠真正實現(xiàn)無創(chuàng)傷，以及分子水平的臨床診斷。并且提供以解剖結(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)展的信息，為臨床對疾病診斷提供定位、定性、定量和對疾病分期的準(zhǔn)確依據(jù)。一般而言，如果能夠在基因改變的早期檢測到不良變化的發(fā)生，就

3、可以做到疾病早期發(fā)現(xiàn)和早期診斷。只有在分子水平認識疾病原因和變化，才能提出分子水平的治療方案，達到疾病根治的效果。圖1提示醫(yī)學(xué)影像發(fā)展的過程和趨勢，可以看出分子影像是今后醫(yī)學(xué)影像發(fā)展的主要方向。1. 分子影像學(xué)基礎(chǔ)分子影像是采用高特異的探針，無創(chuàng)地與體內(nèi)細胞特定的分子靶位結(jié)合，以影像方式反映分子水平的變異信息。由于分子影像是在功能蛋白質(zhì)水平對疾病進行研究，所以分子影像的本質(zhì)是將先進的影像技術(shù)與生物化學(xué)、分子生物學(xué)等技術(shù)緊密結(jié)合，完成分子水平成像。分子影像具有高靈敏度和高特異性。由于分子影像的目的是建立高靈敏和高特異的無創(chuàng)傷性影像學(xué)方法，所以它研究的重點包括以下幾個方面：(1)探討細胞和特異性代

4、謝、酶、受體及基因表達。目前臨床廣泛應(yīng)用的CT、MRI及超聲圖像的特異性不能滿足臨床對特異性檢測的要求，分子影像正好在這方面彌補了它們的不足。(2)以分子影像學(xué)手段進行靶向治療藥物和基因治療方法的研究。(3)在分子病理學(xué)的基礎(chǔ)上評價治療效果和預(yù)后。(4)建立分子水平上藥物代謝的動力學(xué)模型。(5)建立個性化治療的平臺。分子影像技術(shù)不但可用于研究人體疾病發(fā)生和發(fā)展過程，同時被用于人體生理、生化的研究。圖2所示的是采用磁共振技術(shù)進行分子影像研究的示意圖。2. 分子影像學(xué)在基礎(chǔ)研究和臨床中應(yīng)用分子影像技術(shù)在基礎(chǔ)研究和臨床診斷中具有以下特點：(1)在生物體上可以重復(fù)進行生理、病理生理和生物化學(xué)的研究分析

5、，具有良好的可對比性。特別是臨床前期活體小動物研究，提供了在同一動物體上進行重復(fù)性研究的可能，并可通過精確定量分析獲得準(zhǔn)確的藥代動力學(xué)模型，從而加速新藥開發(fā)。(2)在基因表達和基因治療療效研究領(lǐng)域，分子影像技術(shù)是目前公認的最佳方法之一。盡管基因表達和基因治療目前仍處于臨床前期研究階段，但是在研究基因技術(shù)對腦膠質(zhì)瘤、干細胞對心肌缺血的治療中，分子影像技術(shù)已顯示了其獨特的優(yōu)勢。(3)在進行酶和受體研究過程中，分子影像技術(shù)的無創(chuàng)檢測能力很受臨床的歡迎。分子影像技術(shù)已經(jīng)成為臨床前期研究的重要手段，由PET/CT、SPECT/CT和高場強MRI共同建立了新的臨床分子影像平臺。分子影像在臨床有廣泛的應(yīng)用前

6、景，但是目前分子影像、特別是臨床分子影像還剛剛起步。臨床應(yīng)用最為廣泛的是糖代謝顯像、小分子顯像、酶、受體和基因表達顯像(圖3)。3. 分子影像研究設(shè)備在應(yīng)用中的選擇MRI除了能夠進行彌散成像和MRS在代謝水平成像外，對酶、受體和基因表達的顯像劑研究還處于臨床前的研究階段。估計采用MRI進行臨床酶、受體成像，還需要進行更多的臨床實際應(yīng)用研究。由于SPECT/CT系統(tǒng)的靈敏度和分辨率均不夠理想，使SPECT/CT分子影像學(xué)應(yīng)用受到一定限制。對于PET/CT而言，代謝研究已經(jīng)是非常成熟的臨床檢查項目。分子影像設(shè)備各自的特點不同，CT、光成像、PET、常規(guī)核醫(yī)學(xué)SPECT、MRI以及MRS成像設(shè)備的空

7、間分辨率、時間分辨率和檢測靈敏度，以及設(shè)備價格和使用成本等諸多方面存在差異，合理選用將有利于研究工作的開展(圖4)。表1分別顯示CT、光成像、PET、常規(guī)核醫(yī)學(xué)SPECT、MRI以及MRS成像設(shè)備空間、時間分辨率。表中數(shù)據(jù)顯示：MRI在空間和時間分辨率明顯優(yōu)于PET，光成像設(shè)備介于PET和MRI之間。而光成像設(shè)備和CT設(shè)備的成本要低于MRI和PET。盡管MRI在分子水平探測靈敏度方面不如PET，但是與PET相比MRI技術(shù)相對簡單，因此易于普及，加上最新采用的分子納米技術(shù)優(yōu)化了MRI探針制備，從而推動MRI分子影像學(xué)的發(fā)展。光成像設(shè)備介于PET和MRI之間。而光成像設(shè)備和CT設(shè)備的成本要低于MR

8、I和PET。PET設(shè)備具有更多的正電子放射性藥物供臨床及臨床前期的研究，所以PET在分子影像的研究中發(fā)揮著重要的作用。表2所示的是各種分子影像設(shè)備在臨床前期研究中實際應(yīng)用技術(shù)方法。由于臨床分子影像設(shè)備的探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計不斷改進，使系統(tǒng)的分辨率和靈敏度得到較大提高。以前猴、兔等中型動物活體試驗必須使用動物PET、動物MRI等設(shè)備，現(xiàn)在都能在臨床分子影像設(shè)備上完成。目前在臨床前期分子影像設(shè)備上主要進行裸鼠等小型動物模型的活體試驗。對于熒光成像，由于受深度響應(yīng)限制，在使用中存在一定的局限性。二 分子影像研究中分子探針原理和制備分子影像中的關(guān)鍵技術(shù)是分子探針的制備和應(yīng)用，只有開發(fā)滿足研究或臨床需求的，具

9、有高靈敏度、高特異性的分子探針，才能從根本上推動分子影像的發(fā)展。眾所周知，分子影像設(shè)備的供應(yīng)商不可能每年都推出新型的設(shè)備，也就是講分子影像設(shè)備的發(fā)展是階梯狀，而分子影像中分子探針的開發(fā)和制備卻是連續(xù)的。所以，從另外一個角度來看分子影像中分子探針的研究比分子影像設(shè)備開發(fā)更重要。對于PET、PET/CT和SPECT、SPECT/CT而言，探針就是放射性示蹤劑。與MRI和光分子成像探針相比，放射性示蹤劑形式的探針制備比較簡單，但是成本要高得多。對于熒光素標(biāo)記的熒光分子探針成本低、容易制備，可以在體外研究中使用。與放射性示蹤劑和熒光素標(biāo)記分子探針相比較，基于MRI的順磁性分子探針使用得要少得多。1.

10、分子探針概念分子影像技術(shù)由于使用了分子探針技術(shù)，因此在成像方法和診斷效果上形成了與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像的本質(zhì)區(qū)別。有了分子探針和相關(guān)的影像設(shè)備后才能夠完成分子成像。分子探針(Molecular Probe)是一種特殊的分子，將該特殊分子引入體內(nèi)(被稱為分子探針)與組織、細胞特定的分子(被稱為靶分子)特異性結(jié)合時產(chǎn)生可探測的信號，這些信號可以用PET、PET/CT、超高分辨率CT、MRI以及化學(xué)熒光或發(fā)光設(shè)備進行成像(圖5)。分子探針是分子影像成像的關(guān)鍵，分子影像技術(shù)對分子探針的要求主要有以下幾點：(1)分子探針必須具有生物學(xué)兼容性，能夠在人體內(nèi)參與正常生理代謝。同時分子探針必須以微量分子為標(biāo)記物載體，

11、從而不會對人體造成任何傷害。(2)分子探針必須能夠克服體內(nèi)生理屏障。人體內(nèi)具有許多屏障，比如血腦屏障、血管壁、細胞膜等。分子探針必須通過這些屏障才能和目標(biāo)靶分子結(jié)合。(3)分子探針要求與靶分子具有高靈敏度和特異性的結(jié)合。分子生物學(xué)載體具有與目標(biāo)靶分子高靈敏和高特異結(jié)合的特點，分子探針正是利用了這一特點達到分子影像示蹤劑的要求，從而出色地勝任臨床特異性診斷的任務(wù)。常用的小分子探針有：與靶分子特異結(jié)合的受體、生物酶；單克隆抗體則歸為大分子探針(圖6)。按照臨床診斷或基礎(chǔ)研究的需要，可以選用不同分子生物學(xué)載體設(shè)計符合分子影像學(xué)要求的探針，以完成特異性診斷或研究的任務(wù)。2. 對從分子探針獲得的生物信號

12、進行放大PET、PET/CT和光成像在分子探針只需納摩爾(Nanomolar)，甚至皮摩爾(Picomolar)濃度水平，就能夠獲得高質(zhì)量圖像。受探測靈敏度限制，即使使用高濃度分子探針成像，MRI獲得的信號也非常小，需要成像前在體內(nèi)和體外增強信號以改善圖像質(zhì)量。這種信號增強技術(shù)統(tǒng)稱生物信號放大，對分子探針信號放大是分子影像設(shè)備設(shè)計中非常重要的部分。表3所表示的是不同影像技術(shù)達到探測要求時的探針濃度水平。從表中可以看出，對MRI分子影像技術(shù)而言，提高探測靈敏度是至關(guān)重要的。最近幾年，提高MRI檢測靈敏度的技術(shù)和方法有了明顯進展，使MRI在分子影像領(lǐng)域取得了令人矚目的邁進。MRI分子影像技術(shù)與PE

13、T(PET/CT)技術(shù)相比，具有簡單、穩(wěn)定和重復(fù)性好等優(yōu)點，所以用MRI開展分子影像工作很受臨床醫(yī)生的歡迎。正是由于PET(PET/CT)分子影像技術(shù)具有高靈敏度特點，只需微量分子探針就可獲得理想的圖像，非常適合受體和酶等作為探針，用這類探針進行放射性核素標(biāo)記，使其具有示蹤特性以獲取分子影像。3. 分子探針的制備隨著標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展，特別是一些全自動化標(biāo)記設(shè)備和藥盒的商品化，使得分子探針的制備已日趨規(guī)范。圖7 為采用放射性核素、熒光染料、穩(wěn)定放射性核素13C、順磁性元素制備分子探針的示意圖?？梢钥闯觯肿犹结樣缮飿?biāo)志物和標(biāo)記物兩個部分組成。無論哪種標(biāo)記技術(shù)，它們采用的生物標(biāo)志物部分是基本相同的

14、，只是采用的標(biāo)記染料、放射性核素、磁性物質(zhì)不同而已。探針是分子影像的基礎(chǔ)和核心，分子影像若沒有探針就像射擊沒有子彈一樣。從制備分子探針的角度看，分子影像應(yīng)該是一門獨立的綜合性學(xué)科。在分子探針制備中，首先需要考慮選擇哪種標(biāo)志物。目前研究中和正在使用的標(biāo)志物有：有機化合物、多肽類和抗體類。從合成的難易程度比較，有機化合物最容易合成。有機化合物合成的成本低，但是有機化合物與組織細胞靶結(jié)合的特異性最差?？贵w類與組織細胞靶位結(jié)合的特異性高，但是合成過程復(fù)雜，有時受檢者存在過敏的問題。以多肽類作為標(biāo)志物具有最佳的性價比。在確定探針的標(biāo)志物后，我們就需要考慮選擇哪種標(biāo)記物的問題。對于分子探針也存在著“金標(biāo)準(zhǔn)

15、”，一般將碳(11C，13C)或氫(3H)標(biāo)記物制備的分子探針作為“金標(biāo)準(zhǔn)”。確立分子探針“金標(biāo)準(zhǔn)”后，可以采用熒光或放射性核素標(biāo)記的探針作為替代的分子探針。對于順磁性標(biāo)記的分子探針，由于其對標(biāo)志物性能影響較大，同時順磁性金屬元素使用的量較大，對人體存在毒性，所以僅僅局限于體外或有限的臨床前期研究中。對于分子熒光和PET (PET/CT)，如果沒有熒光物質(zhì)和放射性核素標(biāo)記示蹤劑前體，就無法進行分子影像成像。但是MRI卻不同，MRI探針包括標(biāo)記物和體內(nèi)非標(biāo)記物兩部分。MRI使用的某些探針即使未進行標(biāo)記，仍然可以通過MRS頻譜分析進行分子影像成像。標(biāo)記探針的放射性核素可以選用124I、18F、11

16、C、123I、99mTc；MRI探針標(biāo)記物可以選用Gd、Fe、13C等，標(biāo)記物選擇是根據(jù)具體成像要求來決定的。目前發(fā)展的趨勢是采用最佳性價比分子探針進行分子成像。比如，18F的放射性半衰期是11C的6倍，并且18F探針圖像質(zhì)量明顯優(yōu)于11C探針，采用18F標(biāo)記的放射性示蹤劑比11C標(biāo)記的放射性示蹤劑更具有臨床實用性。進行MRI顯像時，Gd標(biāo)記的探針比13C標(biāo)記的探針具有更高的性價比。對于受體顯像探針不能只從性價比考慮，因為它需要一定比活度才能對圖像進行精確的定量分析。三 分子探針制備的影響因素在分子影像成像過程中，分子探針決定了分子影像成像的特異性及靈敏度。選擇的分子探針的標(biāo)志物決定了分子探針

17、的特異性高低，選擇的分子探針標(biāo)記物決定了分子探針成像的靈敏度。我們期望的是能夠制備成本低，但是具有高特異性、靈敏度的分子探針。但是常常由于條件的限制不得不對分子探針的靈敏度、特異性和制備成本之間的制約做出必要的妥協(xié)。降低分子探針的標(biāo)志物和標(biāo)記物成本可能會降低分子探針的靈敏度和特異性，但是卻提高了分子探針的實用和推廣價值。1. 分子探針制備中分子標(biāo)志物和標(biāo)記物的選擇分子探針中的探針的標(biāo)志物決定整個分子探針的特異性，選擇最佳的標(biāo)志物是制備分子探針的基礎(chǔ)和前提。分子探針制備需要有機化學(xué)、分子生物學(xué)、化學(xué)的基礎(chǔ)知識和相關(guān)的制備工藝。分子探針的制備是一門專門的學(xué)科。圖8是從探針標(biāo)記難易程度、標(biāo)記后對標(biāo)志

18、物結(jié)構(gòu)和性能的影響、探針靈敏度和特異性等因素考慮選擇探針標(biāo)志物。從綜合因素考慮目前采用多肽類作為探針生物標(biāo)志物已經(jīng)成為發(fā)展的趨勢。在選擇最佳的探針生物標(biāo)志物后，需要對選擇的生物標(biāo)志物或其它的官能團進行保護，或是引入一些特定的離去基團以便于標(biāo)記物進入標(biāo)志物中。由于標(biāo)志物不同，采用的官能團保護方法和引入離去基團的方法會有明顯的不同。對于已經(jīng)修飾的標(biāo)志物需要考慮分子探針標(biāo)記物選擇的問題。再好的分子探針生物標(biāo)志物，如果沒有分子標(biāo)記物標(biāo)記那也無法進行分子影像成像。圖9是從標(biāo)記難易程度和標(biāo)記成本、標(biāo)記后對探針整體結(jié)構(gòu)影響、標(biāo)記后對分子探針生物學(xué)性能的影響等因素考慮如何選擇放射性核素、熒光素或順磁性的標(biāo)記物

19、。采用11C標(biāo)記的分子探針是最佳選擇，但是11C標(biāo)記的分子探針存在成本高的問題。為此，一般采用11C標(biāo)記的分子探針作為探針的“金標(biāo)準(zhǔn)”，開發(fā)低成本的分子標(biāo)記物。比如，采用18F作為分子標(biāo)記物取代11C標(biāo)記的分子探針。相比較采用順磁性金屬作為分子標(biāo)記物會對分子探針的生物學(xué)性能有不同程度的影響，對此需要特別注意。2. 影響分子探針穩(wěn)定性的因素分子探針的特性不但在制備過程中會受影響，在應(yīng)用過程中也會受多種因素的影響。這些包括分子探針標(biāo)志物穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)和生物學(xué)特性等，以及制備后分子探針受酸堿度、保存溫度、在體外保存時間、在體內(nèi)環(huán)境等因素影響下的變化。在分子探針制備過程中需要注意的是選擇高特異性的分子標(biāo)志物，特別是在標(biāo)記過程中需要保證分子探針生物學(xué)特性、物理化學(xué)性能的相對穩(wěn)定性。對于取代反應(yīng)標(biāo)記的分子探針容易發(fā)生標(biāo)記物脫落的現(xiàn)象，對于分子標(biāo)記物通過螯合物形成的分子探針大多會在不同程度上影響分子探針的性能，尤其是一些采用順磁性金屬制備的MRI分子探針形成的膠體容易在肝臟聚集，因而形成一些假陽性結(jié)果。在分子探針制備后需要注意對分子探針的酸堿度進行調(diào)節(jié)，使其保持在中性的環(huán)境下。對于影響分子探針穩(wěn)定的一些因素需要在探針制備過程和保存過程特加注意。四 分子探針制備技術(shù)進展如以上所述，分子探針是分子影像的核心。最近幾年有關(guān)分子探針制備的理論和方法已經(jīng)取得