核医学与分子影像描述

MRI spectroscopy Micro-MRI
Gene expression
Molecule-anatomy fusion imaging
Micro-PET
Optical imaging
PET-CT
医学影像发展
Biology
分子影像为观察机体某一特定病变部 位的生化过程变化提供了一个窗口
Disease
Cell Membrane Alteration
normal cell apoptotic cell
磷脂酰丝氨酸
磷脂蛋白
99mTc-Annexin
V
apoptosis imaging
30 min after I.V. 99mTc-HYNIC-ANNEXIN V
Normal saline 1 h 生理盐水1h
葡萄糖（相对少）
18F-FDG（相对多）
葡萄糖转运蛋白 (高表达）
葡萄糖
己糖激酶（高）
18F-FDG
肿 瘤 细 胞
6-磷酸 葡萄糖
18F-FDG-6-P
磷酸己糖异构酶
磷酸酶 （低）
18F-FDG
6-磷酸 果糖
丙酮酸+ATP 进一步代谢
18F-FDG
18F-FDG代谢显像临床应用
Tumor
神经与精神
反义显像
antisense imaging
人工合成反义寡核苷酸 Labeled I.V
与病变组织过度表达 的目标DNA或mRNA以 碱基互补特异性结合
C-myc
显示特异性癌 基因过度表达 的组织
imaging
antisense Imaging
脂质体包裹99mTc-Survivin反义寡核苷酸鼠肿瘤模型显像 （A为反义显像，肿瘤区呈异常浓聚；B为非标记反义寡核苷酸抑制后对照影像）
Pre-clinical molecular imaging
PET image Tumor (I-124 FIAU) (gene expressed) CT image FunctionalAnatomical coregistered PET/CT images
In Vivo Proof of Concept and Optimization
• 程序性细胞死亡又称细胞凋亡，是近些年 人们关注的话题 • 凋亡细胞的死亡与细胞坏死不同，凋亡是 一种可诱导的有机组织死亡的能量需求形 式，其细胞的消失不伴有炎症反应出现， 而坏死则是混乱无序的，没有能量需求， 导致局部炎性改变，常常继发于突发的细 胞内成份释放
诱导凋亡 Induced apoptosis
正常多巴胺转运体显像
PD的多巴胺D2受体显像
Estrogen receptor imaging of breast Cancer
乳腺癌雌激素受体显像
Carcinoid 18F-DOPA
反义与基因显像 antisense & gene imaging
• 应用放射性核素标记人工合成的反义寡核苷酸 • 引入体内后与相应的靶基因结合 • 应用显像仪器观察其与病变组织中过度表达的目 标DNA或mRNA发生特异性结合过程 • 显示特异性癌基因过度表达的癌组织，从而达到 在基因水平早期、定性诊断 • 反义显像使肿瘤显像进入了基因水平，有可能成 为未来“分子影像学”的重要组成部分
P53 gene
基因表达 受体变化
生理 生化改变
?
受体变化
功能代谢异常
CT，MR
来自百度文库
解剖结构异常
PET/CT
MR
临床症状体征
分子影像定义
• 分子影像学（molecular imaging）是对人或 其他活体动物在分子和细胞水平的生物学 过程进行可视化、特征化和检测的科学。
• 分子影像（molecular imaging）是医学影像 技术和分子生物学技术相互融合而形成的 新的分支学科，也是当今医学影像研究的 热点和发展方向。
Normal saline 24 h 生理盐水24h
Cyclophosphamide 1 h 环磷酰胺1h
Cyclop. 24h 环磷酰胺24h
6 h after I.V. 99mTc-HYNIC-ANNEXIN V
核医学分子影像的主要技术问题
• • • • molecular biology radiopharmaceutical research labeling technique research Improve resolution of imaging instrument
。
The comparison of different imaging
Image device Signal γ γ Visible light Visible light Space resolution 1-2mm 1-2mm 3-5mm 2-3mm Depth No-limit No-limit 1-2cm < 1cm No-limit No-limit cm Sensitivity 10-11－10-12mol/L 10-10－10-11mol/L 10-15－10-17mol/L 10-9－10-12mol/L 10-3－10-5mol/L Not measurement Not measurement unused Probe quantity ng ng mg ug
核医学与分子影像
PPT文章主标题位置
分子影像概论
Anatomy
Density
X-ray CT
Contrast kinetics Function
Angiography Gamma Gamera Echocardiography
Perfusion Metablism
SPECT MRI PET
Receptor function
分子影像
• 分子影像能够通过各种成像手段从分子和 细胞水平认识疾病，阐明病变组织细胞受 体密度和功能变化、基因与报告基因的表 达、生化代谢变化及细胞信息传导等，为 临床诊治、医学研究提供分子水平信息。
• 医学影像诊断将从解剖学或病理学影像时 代走向分子影像时代。
无创分子影像技术三要素
• 寻找和选择合适的靶点。
• 凋亡可以由于细胞核受到严重损伤，如或X 射线照射或线粒体内受到各种病毒侵袭等 诱导产生，此外，也可通过外部的信号诱 导，如fas配体与fas受体之间的相互作用 诱导。
Apoptosis imaging
• 流式细胞仪在体外监测与活体组织凋亡显像 • 凋亡显像对某些疾病治疗药物的设计与研究、治 疗效果监测是非常有用的，用于肿瘤治疗效果、 心脏移植排异反应监测、急性心梗与心肌炎的评 价等 • 细胞膜上磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine） 的异常表达是用于凋亡监测目的的靶物质，而35 KD的生理蛋白磷脂蛋白（Annexin V，又称膜联蛋 白）对细胞膜上的磷脂酰丝氨酸微分子具有很高 的亲和力。
分子核医学的重要研究领域
• 分子核医学研究内容广泛，最重要的研 究领域有两个方面： • 一是受体研究，二是基因研究 • 临床上以代谢、功能以及解剖学结构异 常为表现的各种疾病几乎都是在受体或 基因水平变化基础上的具体表现。
• 病人的基因型总是可以由生化过程来表 达的，分子核医学利用放射性示踪药物 不仅可以观察到体内生化过程的变化（ Wagner教授称之为“化学型” ）。 • 且将这种以某种生化过程的变化为表型 的疾病与其相关的基因型联系起来，从 而使人们对于疾病的认识以及诊断和治 疗提高到一个崭新的水平。
Memorial Sloan Kettering Cancer Center
Imaging of tumor suppressor gene
Control
Tumor
Control
Tumor
未治疗的肿瘤动物 模型P53未激活
药物治疗后 P53激活
报告基因显像与基因治疗监测
Reporter gene imaging and gene therapy monitoring
• 代谢显像是分子核医学最 成熟的技术，已广泛应用 于临床诊断。 • 18 氟 - 脱 氧 葡 萄 糖 （ 18FFDG）。 • Wagner 教 授 将 18F-FDG 命 名为世纪分子。 • DNA名为“千年分子”。
18F-FDG作为葡萄糖代谢显像剂原理
• FDG第二位碳原子相连的羟基脱氧后剩下的H 被18F取代生成18F-FDG。 • 18F-FDG的结构类似于天然葡萄糖
重组治疗基因-HSV1-tk
感染机体 机体细胞 染色体DNA 转录mRNA
report gene
核素显像探测 体内报告基因
标记报告探针 18F或124I标记tk底物(如嘌 呤核苷衍生物，FIAU）被 tk磷酸化停留于细胞内
感染成功？
转染成功？
治疗基因、报 告基因共表达
转录位置 表达活性 持续时间
制造特殊蛋白质
核医学分子影像
• 核医学分子影像（molecular nuclear medicine）是当今最成熟的分子影像学。 • 核医学与分子生物学发展融合而形成的新 的核医学分支。
核医学分子影像理论基础
• 分子识别是这一新兴领域发展的重要理 论基础。 • 在分子核医学有关的各种技术中，尽管 不同的技术和研究手段，依据方法学原 理各不相同，但其共同理论基础就是“ 分子识别,molecular Recognise ”。
受体显像（receptor imaging）
• 受体显像是核医学分子显像基础，利用放 射性配体显示受体的分布与功能，为观察 细胞间、细胞内的生物学过程提供窗口。
• 是目前活体内能安全、无创、获得受体功 能与分布信息的唯一方法。
受体研究特点
• 受体显像在生理情况下，研究人体受体的 分布（定位）、数量（密度）和功能（亲 和力）提供了唯一的、无创伤性手段。 • 神经受体显像已成为某些神经精神疾病 （如Parkinson病）诊断和研究重要手段。
Labeled ligand
Protein metabolism
Ab receptor
Glucose metabolism
18F-FDG
Glut ASON
Amino acid metabolism gene probe
HSV1-tk
Annexin V
细胞分子靶与探针
Cellular molecule target and probe
治疗疾病
report gene imaging
基因与疾病相关性研究
Genes and disease-related research
特定基因区 删除 致基因突变物质
表 现 型 与 基 因 的 关 联
蛋白质结构、生化反应改变
插入特定 段落的碱 基配对
表现型
观察功能回复情况
分子影像学研究
放射免疫显像研究
radioimmunoimaging, RII
• 放射免疫显像(RII)与放射免疫治疗(RIT) • 面临的技术难题：产生HAMA、分子量大血液清除慢 、T/NT比值低、穿透能力差。 • Affibody、微型抗体或纳米体为核医学分子探针研 究的新靶点。
肝癌
肝脏胶体显像
131I-AFP-Ab显像
凋亡显像（apoptosis imaging）
• 设计与该靶点特异、高亲和力结合的标记 探针，且具备足够的放大信号便于实现高 灵敏的探测。 • 灵敏度高、分辨率好的成像仪器。
分子探针要求
• 生物学兼容性：在体内参与正常生理代谢 过程 • 能克服体内的生理屏障（血脑屏障，血管 壁，细胞膜等） • 与靶分子结合有高度灵敏、特异性 • 有适当的扩增能力 小分子探针：受体配体，生物酶等 大分子探针：单抗等
相关医学分子影像
• • • • 磁共振分子成像 荧光分子成像 超声分子成像（超声微泡等） 临床前分子影像设备 Micro-PET、Micro-CT、 Micro-MRI、Micro-PET/CT • 临床前分子影像研究为分子影像学逐步走向成 熟，并真正应用到新药的开发研究、生物治疗 的临床前期研究及疾病的分子诊断有重要作用
Phenotype Genotype
放射性核素示踪技术
＋ 生物技术
受体与配体 免疫学技术 基因技术 细胞功能与代谢
受体显像 受体放射分析 放射免疫显像
反义显像 基因显像
代谢显像 凋亡显像
受体功能 分布密度
异常抗 原表达
基因异 显示报 代谢增高 常表达 告基因 与减低
细胞活性 与凋亡
代谢显像(metabolism imaging)
分子识别
• • • • Antigen—antibody Ligand—receptor Polypeptide—target cell Antisense probe—carcinoma gene (Complementary nucleotide核苷酸碱基互补) • Enzyme—substrate 分子识别是分子核医学重要理论依据
心肌活性
Early diagnosis, staging, recurrence and metastasis, efficacy
神经、精神疾病、 脑功能研究，不同 生理刺激或思维活 动状态脑皮质的代 谢，脑行为研究
区别心肌坏死、冬 眠心肌，为冠心病 血运重建治疗提供 依据，是判断心肌 细胞活性的“金标 准”