分子影像学概论

分子影像学――医学影像新曙光
作者:申宝忠 汤 义 来源:现代医学成像 录入:drxiao 更新时间：2007-5-18 13:04:57 点击数：1054
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分子影像学――医学影像新曙光
申宝忠 哈尔滨医科大学附属四院影像中心
汤 义 哈佛大学医学院麻省总院分子影像中心
三 分子影像学的原理
分子成像就成像原理分为直接成像、间接成像及替代物成像，直接成像是指探针与靶点直接反应，因此所成图像揭示的探针位置和浓度直接与其与靶点（如抗原决定簇和酶）作用相关，其探针常常是抗原特异性的；间接成像相对复杂，目前最常用的间接成像手段是报告成像，包括报告基因和报告探针。报告基因（reporter gene）是指能间接反映基回转录水平的编码某种酶或蛋白质的基因，其表达产物易被报告探针检测，且易与内源性背景蛋白相区别。通过把转录控制元件+报告基因载体转入细胞内，通过简单地检测酶活性的变化，就可反映化合物对转录因子和基因表达的作用性质和程度，可以直观地“报道’细胞内和基因表达有关的信号级联。根据对其表达产物的分析方法的不同分为体内报告基因和体外报告基因。
作为无创伤性体内分子探针，设计上要考虑众多因素。以下因素是设计分子影像探针的一般要求，但涉及到特定的生物靶分子，因生物分子的特定功能差异而在探针设计上有特殊要求。另外需要指出的是，事实上分子影像探针很难满足以下全部要求，要做到理想化的探针是非常困难的。（1）分子影像探针对其靶生物分子具有高度特异性和亲合力，如能同时反映其靶生物分子的功能则更好。（2）分子影像探针在细胞内聚集的量与靶生物分子的含量或表达量成比例，当细胞内不含有靶生物分子时，细胞内不应该残留分子影像探针。（3)分子影像探针对细胞表面和细胞内的相同的靶生物分子的结合不应该存在倾向性差异。 与细胞表面靶分子结合时；分子影像探针的内化（internalzatlon）不会对其聚集量产生明显影响。（4）分子影像探针在到达靶生物分子前没有明显地受到血管通透性、组织静态压力、生物膜性结构障碍等影响。（5）机体不会对分子影像探针产生明显免疫反应或其他不良反应。（6）分子影像探针应在体内保持相对稳定，不易被分解代谢，或者其代谢物对结果分析不会产生错误影响。（7）分子影像探针在血液中不会被血细胞、血浆蛋白非特异结合，但在血循环中有适当的清除期以满足既能与靶生物分子充分结合又不会有高的血“本底”。（8）分子影像探针应具有良好的组织分布特征，无关组织的聚集量尽量少或能被迅速清除。（9）分子影像探针的排泄途径（如消化道泌尿系统）对结果分析不应该造成不利影响。（10）分子探针化合物可以用多种放射性核素进行标记以此适合于spect和pet显像；并且标记化合物的物理．化学和生物学特性符合探针要求，同时标记化合物要有足够高的放射性比活度。分子探针化合物本身具有良好的稳定性，并且标记后不易受到辐射而自分解。分子影像探针及其代谢产物在使用浓度范围内无毒性作用。根据成像手段不同，分子影像可分为光学分子成像、mr分子成像、pet分子成像，而它们应用的分子显像探针也各不相同。
从17世纪第一台显微镜的出现开始，形态学的研究不断推动着生物学的发展，也是指导医学发展的重要原则之一。分子影像学的出现对许多传统的生物学定律提出了挑战，它在形态学改变的基础上成功地使功能成像的概念更加深入，开创了活体生物研究的新领域。
一 分子影像学的定义
分子影像学可以广泛的定义为在细胞和分子水平对体内生物学过程进行描述和测量。与传统的临床影像比较，它显示的是疾病分子水平的异常，而不是这些分子改变所导致的最终结果的成像。即从生理．生化水平认识疾病，阐明病变组织生物过程的变化．病变细胞基因表达．代谢活性高低．病变细胞是否存活以及细胞内生物活动的状态等，为临床早期诊断．治疗和疾病的研究提供分子水平信息。自从十六世纪后期第一架显微镜诞生至今，形态学的观察一直推动着生物学的进程，而分子影像学的迅速崛起使形态学的观察有了更深的内涵和意义。这是一个新的多学科领域，在这里图像已延伸到在可靠的生理环境下，反映细胞和分子的通道以及在活体内疾病发生的机制。
实验室在小鼠身上成功重复了 juri的试验。不同的是，他们应用的是由ucla的simon cherry等设计的有更高清晰度的微pet。新研发出来微mr，使mr技术也更好地应用在分子成像中，它有比pet更高的空间分辨率；可用来监测在磁场中水分子中的氢被激活后的改变。在光学成像方面，斯坦福大学的christoher等在1994年制成了在原型ccd基础上的照相机系统，并用之研究工程化的荧火虫素酶基因在小鼠上的分子影像。1997年他们还通过转基因小鼠的连有调控序列的营火虫素酶基因激活后的分子成像，证实可以像应用pet一样，将其作为标记基因（targetgene）来对内源性基因表达成像。与此同时，weissleder的分子影像中心研究出另一光学成像技术一一具有更长波长的近红外线荧光成像，从而可以穿过更深组织。1999年 9月，在密西西比州首府jackson，哈佛大学的welsseder等影像学的权威们召开了国际影像学会议，一致认为一门新的放射学科——分子影像学，是分子治疗所需要的，就此分子影像学的概念正式主welssleder提出。
与其它学科相比，分子影像学的独特优势在于（1）它可将复杂的生物学过程（如基因表达。生物信号传递等）变成直观的图像，从而使我们能够更好地在分子水平理解疾病的机制及其特征；（2）能够发现疾病（如肿瘤）早期的分子变异及病理改变过程，这是传统手段无法检测到的；（3）可在活体上早期．连续性地观察药物治疗及基因治疗的机理和效果。（4）实时地监视多个分子事件；（5）评估疾病分子病理水平上的进程。这不仅是分子生物学和医学影像学划时代意义的进步，更将对整个生命科学的研究起到革命性的作用。
四 分子影像学的设备仪器及技术
传统的影像学技术，如ct和mr依靠其物理学和组织生理学的改变来发现疾病，对疾病进行定性。分子影像学建立在这些成像技术和其他一些成像技术上，如核医学技术和光学成像技术的基础上，旨在发现分子水平或细胞水平的异常。目前最为常用的分子影像学技术有（1）核医学成像技术，尤以pet的分子显像研究最受关注；（2）mri技术，包括普通的mri和mr波谱成像都应用于分子影像学的研究领域；（3）光学成像技术，种类繁多，但以近红外线光学体层成像技术的研究最为注目。
用高亲和力的探针对靶点的确认是活体内成像的关键前提。这些探针可以是基因片段；如与靶基因整合一起的绿色荧光蛋者高分子亲和性配体（如分子抗体、重组蛋白）。根据不同成像要求有不同分子探针，如光学成像探针发出不同波长的荧光，可研究不同基因的同时表达；超顺磁性mri对比剂可以容易穿过细胞膜，与铁蛋白受体基回分子探针表达后产物有高度亲和力；含放射性核素的分子探针能定靶特异的肿瘤蛋白等等。但各种分子探针也有各自相对不足，如光学成像探针波长有限，含放射性核素的影像探针半衰期短等。
二 分子影像们学历史
1990年，weissleder的研究中心在研究了超顺磁性纳米粒子（uspio）可穿过毛细血管内皮后，报道了他们应用由阿拉伯半乳聚糖（ag）包裹的uspio在mr下，通过真唾液酸糖蛋白受体（asg）导向下对肝脏的特定成像，开始了体内成像的研究；这之后，又有一些实验室开始有关的研究。1993年 memorial sloan－ketterng癌症中心的jurl和其同事开始试用新方法来成像基因表达，目的之一是监测基因治疗的疗效。1996年,tjuvajcv等第一次报道了应用 pet监测hsv1-tk基因在大鼠体内的表达，将磷酸盐加到胸腺嘧啶核苷类类似物（fiau）并将其标记上放射活性物质，合成了分子影像探针。与此同时加州大学洛杉矶分校（ucla）的herschman与他的同事．当年参与研发出pet的phelps等也开始研究在活体内监测基因表达。一年后，pb garlick的
分子成像应用的为体内报告基因。这种报告基因产物有几种（1）产物为细胞内酶，它可以将报告探针转换成代谢产物，后者被选择性的捕获在报告基因转染的细胞内（诱捕机制）；（2）报告基因产物为受体或运输载体（trspsportgr），在成像过程中捕获探针。而其中分子探针无疑是分子成像的最重要的前提，间接成像比直接成像应用的要广，尤其在临床前动物试验研究中；在报告成像中报告基因常常通过内部核糖体进入位点（internal rlbosoma entry site，ires）与目的基因相连，这段融合的基因片段通过载体转染靶细胞并整合到靶细胞核内染色体dna后，转录成mrna进入胞桨，被核蛋白体通过旧es片段翻译成各自的蛋白质，其中报告基因表达的蛋白质即被用来成像。旧es序列是使报告基回美h发挥作用的前提，因为通过亡可以实现报告基因和目的基因共同表达各自的蛋白质。从而，只要报告基因表达，就有目的基因的表达，因而可以通过对报告基因的成像来间接对目的基因成像。在替代物成像中，替代标记物”探针主要反映内源性分子或基因过程的下游结果，这种方法由于其更具有在近期进入临床的可能而尤其具有吸引力，现有的放射性药剂和成像范例对监测一些疾病（如癌症)的特定的分子基因过程的改变将大有帮助。然而，替代物成像能成像的分子基因过程较少，而且特异性有限。
weissleder指出，成功的分子成像必须满足一些特定的条件:（1）有高度特异性和亲和力的分子探针（molecular probe）（2）探针必须能克服生物传递屏障，有效地进入靶向器官和细胞内；（3）适度（化学或生物的）扩增的方法；（4）要有敏感快速高清晰度的成像技术。这些条件中又以分子显像探针的研究最为重要，也是进行分子影像学研究的先决条件。
2．mri技术
mri系统现在可达到或接近显微镜的分辨率（几十个μm范围），可对小动物成像，能够进行生理和分子标记物的分析。啮齿动物或啮齿动物的特殊器官mr成像通常是在窄孔径mr仪（＜20cm）进行，即微小mr（mr(micor-mr)仪，它拥有高的磁场和梯度场。它的信噪比和空间分辨率显著提高。场强在7t以下，鼠脑的 mr显微成像术（mr micrroscopy)的分辨率可达50 μmx5o μm x 50 μm，鼠心脏的分辨率达120 μm x 120 μm xl 000 μm。另外，还有mr靶对比剂的应用，更拓宽了 mr分子成像的领域。同样，mr可对转基因表达后进行成像。