分子影像研究報(bào)告中分子探針技術(shù)的進(jìn)展

1、分子影像研究中分子探針技術(shù)的進(jìn)展鍵，:分子影像學(xué)分子探針分子醫(yī)學(xué)的開展已經(jīng)從根本上改變傳統(tǒng)臨床醫(yī)學(xué)的檢測(cè)、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(gè)局部。分子診斷是在體外以蛋白、RNA和DNA水平對(duì)疾病進(jìn)展早期、特異性診斷，并對(duì)疾病治療效果進(jìn)展監(jiān)測(cè)。分子治療是阻止疾病發(fā)生、開展的關(guān)鍵步驟，在分子水平上進(jìn)展特異性阻斷或抑制，以到達(dá)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(gè)全新的平臺(tái)。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(jìn)展，希望我國(guó)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(guó)分子影像技術(shù)的開展。為了系統(tǒng)闡述分子探針的制備和進(jìn)

2、展，我們從分子影像學(xué)簡(jiǎn)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(jìn)展四個(gè)局部進(jìn)展介紹。一分子影像學(xué)簡(jiǎn)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(gè)局部。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(diǎn)，能夠真正實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)傷，以及分子水平的臨床診斷。并且提供以解剖構(gòu)造為根底，以分子水平為基準(zhǔn)的疾病發(fā)生和開展的信息，為臨床對(duì)疾病診斷提供定位、定性、定量和對(duì)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(cè)到不良變化的發(fā)生，就可

3、以做到疾病早期發(fā)現(xiàn)和早期診斷。只有在分子水平認(rèn)識(shí)疾病原因和變化，才能提出分子水平的治療方案，到達(dá)疾病根治的效果。圖1提示醫(yī)學(xué)影像開展的過(guò)程和趨勢(shì)，可以看出分子影像是今后醫(yī)學(xué)影像開展的主要方向。.分子影像學(xué)根底分子影像是采用高特異的探針，無(wú)創(chuàng)地與體內(nèi)細(xì)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(duì)疾病進(jìn)展研究，所以分子影像的本質(zhì)是將先進(jìn)的影像技術(shù)與生物化學(xué)、分子生物學(xué)等技術(shù)嚴(yán)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(wú)創(chuàng)傷性影像學(xué)方法，所以它研究的重點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：(1)探討細(xì)胞和特異性代謝、酶

4、、受體及基因表達(dá)。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(duì)特異性檢測(cè)的要求，分子影像正好在這方面彌補(bǔ)了它們的缺乏。(2)以分子影像學(xué)手段進(jìn)展靶向治療藥物和基因治療方法的研究。(3)在分子病理學(xué)的根底上評(píng)價(jià)治療效果和預(yù)后。(4)建立分子水平上藥物代謝的動(dòng)力學(xué)模型。(5)建立個(gè)性化治療的平臺(tái)。分子影像技術(shù)不但可用于研究人體疾病發(fā)生和開展過(guò)程，同時(shí)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(jìn)展分子影像研究的示意圖。.分子影像學(xué)在根底研究和臨床中應(yīng)用分子影像技術(shù)在根底研究和臨床診斷中具有以下特點(diǎn)：（1）在生物體上可以重復(fù)進(jìn)展生理、病理生理和生物化學(xué)的研究分析，具有良好

5、的可比照性。特別是臨床前期活體小動(dòng)物研究，提供了在同一動(dòng)物體上進(jìn)展重復(fù)性研究的可能，并可通過(guò)準(zhǔn)確定量分析獲得準(zhǔn)確的藥代動(dòng)力學(xué)模型，從而加速新藥開發(fā)。（2）在基因表達(dá)和基因治療療效研究領(lǐng)域，分子影像技術(shù)是目前公認(rèn)的最正確方法之一。盡管基因表達(dá)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(duì)腦膠質(zhì)瘤、干細(xì)胞對(duì)心肌缺血的治療中，分子影像技術(shù)已顯示了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。（3漁進(jìn)展酶和受體研究過(guò)程中，分子影像技術(shù)的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)能力很受臨床的歡送。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(chǎng)強(qiáng)MRI共同建立了新的臨床分子影像平臺(tái)。分子影像在臨床有廣泛的應(yīng)用前景，但是目

6、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(dá)顯像（圖3）。.分子影像研究設(shè)備在應(yīng)用中的選擇MRI除了能夠進(jìn)展彌散成像和MRS在代謝水平成像外，對(duì)酶、受體和基因表達(dá)的顯像劑研究還處于臨床前的研究階段。估計(jì)采用MRI進(jìn)展臨床酶、受體成像，還需要進(jìn)展更多的臨床實(shí)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(duì)于PET/CT而言，代謝研究已經(jīng)是非常成熟的臨床檢查工程。分子影像設(shè)備各自的特點(diǎn)不同，CT、光成像、PET、常規(guī)核醫(yī)學(xué)SPECT、MRI以及MRS成像設(shè)備的空間分辨率、時(shí)間

7、分辨率和檢測(cè)靈敏度，以及設(shè)備價(jià)格和使用本錢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(shí)間分辨率。表中數(shù)據(jù)顯示：MRI在空間和時(shí)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)備的本錢要低于MRI和PET。盡管MRI在分子水平探測(cè)靈敏度方面不如PET,但是與PET相比MRI技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)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(dòng)MRI分子影像學(xué)的開展。光成像設(shè)備介于PET和MRI之間。而光成像設(shè)備和CT設(shè)備的本錢要低于MRI和PET。P

8、ET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(shí)際應(yīng)用技術(shù)方法。由于臨床分子影像設(shè)備的探測(cè)器構(gòu)造設(shè)計(jì)不斷改良，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(dòng)物活體試驗(yàn)必須使用動(dòng)物PET、動(dòng)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(jìn)展裸鼠等小型動(dòng)物模型的活體試驗(yàn)。對(duì)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，具有高靈敏度、高特

9、異性的分子探針，才能從根本上推動(dòng)分子影像的開展。眾所周知，分子影像設(shè)備的供給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)備的開展是階梯狀，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(gè)角度來(lái)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(duì)于PET、PET/CT和SPECT、SPECT/CT而言，探針就是放射性示蹤齊。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擬簡(jiǎn)單，但是本錢要高得多。對(duì)于熒光素標(biāo)記的熒光分子探針本錢低、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)記分子探針相比擬，基于MRI的順磁性分子探針使用得要少得多。.分子探針概念分子影像

10、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（MolecularProbe）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(xì)胞特定的分子（被稱為靶分子）特異性結(jié)合時(shí)產(chǎn)生可探測(cè)的信號(hào)，這些信號(hào)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(jìn)展成像（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(duì)分子探針的要求主要有以下幾點(diǎn)：（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(shí)分子探針必須以微量分子為標(biāo)記物載體，從而不會(huì)對(duì)人體造成任何

11、傷害。（2）分子探針必須能夠克制體內(nèi)生理屏障。人體內(nèi)具有許多屏障，比方血腦屏障、血管壁、細(xì)胞膜等。分子探針必須通過(guò)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(diǎn)，分子探針正是利用了這一特點(diǎn)到達(dá)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；單克隆抗體那么歸為大分子探針（圖6）。按照臨床診斷或根底研究的需要，可以選用不同分子生物學(xué)載體設(shè)計(jì)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)。.對(duì)從分子探針獲得的生物信號(hào)進(jìn)展放大PET、PET/

12、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(cè)靈敏度限制，即使使用高濃度分子探針成像，MRI獲得的信號(hào)也非常小，需要成像前在體內(nèi)和體外增強(qiáng)信號(hào)以改善圖像質(zhì)量。這種信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)統(tǒng)稱生物信號(hào)放大，對(duì)分子探針信號(hào)放大是分子影像設(shè)備設(shè)計(jì)中非常重要的局部。表3所表示的是不同影像技術(shù)到達(dá)探測(cè)要求時(shí)的探針濃度水平。從表中可以看出，對(duì)MRI分子影像技術(shù)而言，提高探測(cè)靈敏度是至關(guān)重要的。最近幾年，提高M(jìn)RI檢測(cè)靈敏度的技術(shù)和方法有了明顯進(jìn)展，使MRI在分子影像領(lǐng)域取得了令人矚目的邁進(jìn)。MRI分子影像技術(shù)與PET（PET/CT）技術(shù)相

13、比，具有簡(jiǎn)單、穩(wěn)定和重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，所以用MRI開展分子影像工作很受臨床醫(yī)生的歡送。正是由于PET（PET/CT）分子影像技術(shù)具有高靈敏度特點(diǎn)，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(jìn)展放射性核素標(biāo)記，使其具有示蹤特性以獲取分子影像。.分子探針的制備隨著標(biāo)記技術(shù)的開展，特別是一些全自動(dòng)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標(biāo)準(zhǔn)。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(gè)局部組成。無(wú)論哪種標(biāo)記技術(shù)，它們采用的生物標(biāo)志物局部是根本一樣的，只是采用的標(biāo)記染料、放射性核

14、素、磁性物質(zhì)不同而已。探針是分子影像的根底和核心，分子影像假設(shè)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(dú)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(jī)化合物、多肽類和抗體類。從合成的難易程度比擬，有機(jī)化合物最容易合成。有機(jī)化合物合成的本錢低，但是有機(jī)化合物與組織細(xì)胞靶結(jié)合的特異性最差?？贵w類與組織細(xì)胞靶位結(jié)合的特異性高，但是合成過(guò)程復(fù)雜，有時(shí)受檢者存在過(guò)敏的問題。以多肽類作為標(biāo)志物具有最正確的性價(jià)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(duì)于分子探針也存在著“金標(biāo)準(zhǔn)，一般將碳(11C,13C

15、)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(duì)于順磁性標(biāo)記的分子探針，由于其對(duì)標(biāo)志物性能影響較大，同時(shí)順磁性金屬元素使用的量較大，對(duì)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(duì)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(wú)法進(jìn)展分子影像成像。但是MRI卻不同，MRI探針包括標(biāo)記物和體內(nèi)非標(biāo)記物兩局部。MRI使用的某些探針即使未進(jìn)展標(biāo)記，仍然可以通過(guò)MRS頻譜分析進(jìn)展分子影像成像。標(biāo)記探針的放射性核素可以選用1節(jié)、18F、11C、123I、99mTc；MRI探針標(biāo)

16、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(lái)決定的。目前開展的趨勢(shì)是采用最正確性價(jià)比分子探針進(jìn)展分子成像。比方，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(shí)用性。進(jìn)展MRI顯像時(shí)，Gd標(biāo)記的探針比13C標(biāo)記的探針具有更高的性價(jià)比。對(duì)于受體顯像探針不能只從性價(jià)比考慮，因?yàn)樗枰欢ū然疃炔拍軐?duì)圖像進(jìn)展準(zhǔn)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(guò)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的特異性上下，選擇的分子探針標(biāo)記物決定

17、了分子探針成像的靈敏度。我們期望的是能夠制備本錢低，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(duì)分子探針的靈敏度、特異性和制備本錢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)記物本錢可能會(huì)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(shí)用和推廣價(jià)值。.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(gè)分子探針的特異性，選擇最正確的標(biāo)志物是制備分子探針的根底和前提。分子探針制備需要有機(jī)化學(xué)、分子生物學(xué)、化學(xué)的根底知識(shí)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(duì)標(biāo)志物構(gòu)造和性能的影響、探針靈敏度和特異性等

18、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)成為開展的趨勢(shì)。在選擇最正確的探針生物標(biāo)志物后，需要對(duì)選擇的生物標(biāo)志物或其它的官能團(tuán)進(jìn)展保護(hù)，或是引入一些特定的離去基團(tuán)以便于標(biāo)記物進(jìn)入標(biāo)志物中。由于標(biāo)志物不同，采用的官能團(tuán)保護(hù)方法和引入離去基團(tuán)的方法會(huì)有明顯的不同。對(duì)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(wú)法進(jìn)展分子影像成像。圖9是從標(biāo)記難易程度和標(biāo)記本錢、標(biāo)記后對(duì)探針整體構(gòu)造影響、標(biāo)記后對(duì)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。采用11C標(biāo)記的分子探針是最正確選擇

19、，但是11C標(biāo)記的分子探針存在本錢高的問題。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)低本錢的分子標(biāo)記物。比方，采用18F作為分子標(biāo)記物取代11C標(biāo)記的分子探針。相比擬采用順磁性金屬作為分子標(biāo)記物會(huì)對(duì)分子探針的生物學(xué)性能有不同程度的影響，對(duì)此需要特別注意。.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(guò)程中會(huì)受影響，在應(yīng)用過(guò)程中也會(huì)受多種因素的影響。這些包括分子探針標(biāo)志物穩(wěn)定性、構(gòu)造和生物學(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(shí)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(guò)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(guò)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(duì)穩(wěn)定性。對(duì)于取代反響標(biāo)記的分子探針容易發(fā)生標(biāo)記物脫落的現(xiàn)象，對(duì)于分子標(biāo)記物通過(guò)螯合物形成的分子探針大多會(huì)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(yáng)性結(jié)果。在分子探針制備后需要注意對(duì)分子探針的酸堿度進(jìn)展調(diào)節(jié)，使其保持在中性的環(huán)境下。對(duì)于影響分子探針穩(wěn)定的一些因素需要在探針制備過(guò)程和保存過(guò)程特加注意。四分子探針制備技術(shù)進(jìn)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