分子成像技术及应用

生物发光是用荧光素酶基 因标记细胞或 DNA. 目前应用较多的报告基因是萤火虫荧光素酶 ( F irefly Luc iferase)基因, 其基 因表达产物萤火虫素酶可以和 从体外导入的萤火虫素 ( L ucifer in)发生反应而发出近红外荧光, 并可 被 CCD 相机 捕获. 自 1997 年 Contag 首次观察到表达 F luc基因的转基因小鼠在注入荧光素酶底物后的生物 发光现象 [ 25- 26]以来, 荧光素酶被广泛应用于 小动物成像技术. 由于生物组织一般在红外线范围 ( > 900 nm )及 可见光范围 ( 350 ~ 600 nm )有 较高的光 吸收; 而在近 红外区 域 ( 600~ 900 nm )生物分子的光吸收降到最低, 大量的光可以穿过 组织和 皮肤而 被检测到. 生 物发光 的最大特 点是极 高的灵 敏度 [ 27- 28] .
博士研究生, 研究方向: 物理电子学、生 物电磁学.
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河南教育学院学报 ( 自然科学版 )
2 010 年
见的荧光分 子 探针 有: FLA SH 型 探 针、AGT 型探 针、H a lo T ag 型 探 针、PCP、ACP 型 探 针、F36V 型 探 针、 C lick 反 应 型 探 针等 [ 9, 16- 19] .
核磁共振的基本 原理是原子核能够自旋从而产生自旋 磁场. 原子 核带正 电并有自 旋运动, 其 自旋运 动必将 产生磁矩, 称 为核磁矩. 在外磁场中, 原子 核自旋角动量的空间取向是量子化的. 依据核磁矩与 自旋角动量的关系, 核磁矩在外磁 场中的取 向也是量子化的. 在外磁场中, 具有磁矩的原子核具有相应 的能量. 可 见, 原 子核在 外磁场 中的能 量也是 量子化 的. 由 于磁矩 和磁场的相互作用, 自旋能量分裂成一系列分立的能级, 相邻的两个能级之差 = hB. 用频率适 当的电磁 辐射照射原 子核, 如果电磁辐射光子能 量 hv 恰 好为 两相 邻核 能级 之差 E, 则 原子 核就 会吸 收这 个光 子, 发生 核 磁共 振 的频 率条 件 是: hv =
成像设备 MR I PET
CT
SPEC T 超声
荧光成像 生物体自发光 成像
表 1 各种分子成像设备的分子探针特性
分子探针 类型
无需探针 放射性 同位 素标 记, 直接或间接
定量程度
分子探针 使用数量
纳克
对生物体 的干扰
无 半衰期很短 的核素 标记
是否可用于 人体扫描
可以
可以
无需探针
未应用
未应用
辐射
核素成像主要有 两种模式, 即单光子发射断层成像 ( SPECT )和正 电子发射断 层成像 ( PET ), 常用 于追踪小 量标记 基因药 物和进行基因治疗中 载体的传送研究, 发现易于为核素标记的既定靶目标 底物的存在 等方面, 在目前的 分子影像学 研究中占 据着极其重要的地位 . 由于伽玛射线具有很强的组织穿透性, 较高的探 测灵敏感 性不会因为 分子探针 深度的增 加而减 弱. 核 素成像最显著的优点 是具有较高的灵敏度,
第 19卷 第 4期 2010年 12月
河南教育学院学报 (自然科学版 ) Journal of H enan Institute o f Education ( N atural Science Ed ition)
do:i 10. 3969/ .j issn. 1007- 0834. 2010. 04. 007
对小分子荧光探针来说, 一般由两部分组成: 荧光团以及与受体专一性高亲 和力结合 的配体. 受体与目 标蛋白质融 合, 通 过受体与配体的相互作用来标 记蛋白质. 在分子成像中, 对小分子荧光探针的要 求是: 能够与受体 专一性稳 定结合, 使其在进 行监测的较长时间 (几个小时 )内保持稳定性; 应该可以穿过细胞 膜并且无毒; 探 针尽可能 地设计 成一定 的模式, 使得 多种荧 光团能够方便地结合, 背景噪音水平尽可能低. 选择合适的 受体可 以实现对 蛋白质 位点专 一性结 合. 对于受体 的选择 有以下 两个要求: 受体与目标蛋白质融合后必须能够被基因表达; 受体应该尽可能 小, 以 致不干扰目 标蛋白质 的正常生理 功能, 因此较理想的受体是 一段短序列的肽链并且能够插入 目标蛋白 质的许 多位点. 而 选择适 合的受体 配体对可 以实现 对蛋白 质高灵敏度高亲和力结合. 一般说来, 受 体与配体的结合应当尽可能快速进行, 有利 于监测时 间敏感性的 生理过程. 受体 配 体的作用一般包括半 抗原 抗体、生物素 抗生物素蛋白、酶 底物、联砷荧 光物质与 富含半胱氨 酸的肽链之 间的作用 等. 常
像技术的迅速发展可能导致临床医疗的重大变革. 该文就分子成像技术及其应用作一综述.
关键词: wk.baidu.com子成像; 分子探针; 荧光成像; 核磁成像; 量子点
中图分类号: O 436
文献标识码: A
文章编号: 1007- 0834( 2010 ) 04- 0017 - 05
医学影像技术的 发展可以分成结构成像、功能成像 和分子 成像三 个阶段. 分子 成像, 广义 地可定 义为在分 子与细 胞层次 上对活体状态下的生 物过程进行定征和测量. 这一定义强调 活体状态 ( in vivo), 强调对 生物过程 的定量测量 , 强调 在 分 子与细胞层次上 的测量而不强调对分子或细胞本身的测量. 也有人给出了另一个对生物医学工作者 来说更完善 的定义: 利 用体外成像检测器在 细胞和分子层次上对活体动物、模型系统和人体的生 物学过程进行定征和测量 [ 1] . 相 对于传统的 活检, 分子成像的特点是: 无创检测, 动态采集和全面反映. 分子成 像技术涉 及信息 科学、放射 医学、化学物 理学、生物 学、核 医学和 临床医学等多个学科 [ 1- 7] , 它是一门新兴的交叉学科. 近年来, 由于红偏移光蛋白、感应 荧光底物、近红外靶标荧光造影剂等具 有较高组织穿透力的荧光探针 技术有了长足的发展, 荧 光成像技 术开始 用于小 动物模 型内部 特异生 物大分子 活动规 律的在 体跟踪和测量. 光学分子成像技术是整个领域新的热点 研究方 向, 核素标记 的分子 成像是 当今分 子成像 的主流, 核素 标记的 分子成像虽然已经应用于临床 , 但是仍然存在大量需要 解决的 基础科 学问题. 荧 光标记的 光学分 子成像 正处于 发展的 初期, 是分子影像学领域面 临突破的重点研究方向. 在以上提到的分子成像技术 中, 光学 成像技术 具有其他模 态无法同时 兼有的优 点而在此领域备受关注, 因为它在特异性、灵敏性、实时性和安全性等一系 列重要指标 上具有明显 的优势. 尽管光学 分子成像 理论和技术在很多方 面远未成熟, 但它在生命科学研究中却具有重要的应 用价值, 已经引起了研究人员的广泛重视. 1 分子成像的关键技术
荧光技术则采用 荧光报告基团 ( GFP、RFP ), 或 Cy t及 D yes等荧 光染料进行标记, 利用报告基 因产生的生物发光、荧光蛋 白质或染料产生的荧 光就可以形成体内的生物光源, 利用灵敏的光子成像 技术可以从 动物体表检 测到组织 内部的生物 光源, 使研究人员能够直接 监控活体生物体内的细胞活动和基因行 为. 常用 的有红色 荧光蛋白 ( D sR ed)、绿色 荧光蛋 白 ( G FP )及其 他荧光报告基团, 标记方法与体外荧光成像相似. 荧光成像 的优点 是费用低 廉和操 作简单. 红 光的穿 透性在体 内比蓝 绿光的 穿透性要好得多, 因此观测生理指标的最佳选择为近红 外荧光. 目 前的技术 采用不 同的原 理来尽 量降低 背景信 号, 从 而获取
V o .l 19 N o. 4 D ec. 2010
分子成像技术及应用
杨 阔1, 2 , 张小琴3 , 宋 永1 , 秦天莺3
( 1. 阿坝师范高等专 科学校 电子信息工程系, 四川 成都 611741; 2. 电子科技大学 物理电子学院, 四川 成都 610054; 3. 西南民族大学 生命科学与技术学院, 四川 成都 610041)
可以
放射性 同位 素标 记, 直接或间接 可结合造 影 剂, 效果 更好 荧光 染 料 或 荧 光 蛋 白标记
几百万个 细胞
纳克
微克 ~ 毫克
半衰期很短 的核素 标记
可以
无
可以
荧 光染 料 可 能 有
毒性
目前没有, 在研究过程中
无需探针, 需底物
几百个细胞 毫克
无
目前没有
1. 2 分子成像技术 分子成像技术包括超声、正电子发射断层成像、CT、单 光子发射断 层成像、光 学成像和 核磁共 振. 超声成像 利用超 声微泡
摘要: 分子成像是近年来出现的一个将分子生物学与在体成像相 结合的新领域. 它 可以使细 胞功能可视 化, 并且能 在生物活
体内部无创地跟踪分子过程. 该领域的技术还可以用于许多疾病诸如癌症、神经和心血管疾病的早期诊断. 同时, 这项技术还可以
通过优化新药物的临床前和临床测试来改进临床治疗, 这将会由于其早期和准确的诊断而带来很大的经济影响. 可以预见分子成
第 4期
杨 阔等: 分子成像技术及应用
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机体中荧光的准确信息, 这以 GE - ART 公 司的时域 ( T im e- Dom a in, TD )光学分子成像技术及精诺真公 司和 CR I公 司采用的 光谱分离技术为荧光 成像的主要代表 [ 24] . 对 于生物体自发光成像和荧光成像来说, 后者的缺点是自 荧光背景相当程度地限制 了探测灵敏度, 优势在于多数荧光探针具有设计上的高度特异性和较高的 量子效率, 因而可 产生适合现 有探测技术 的稳健信 号; 而生物体自发光成像的成像物体不需要外源激发, 无自荧光背景干扰问题, 具有超 高的灵敏度 , 但微 弱的自发光 信号对探 测技术提出了极高的要求, 并且该模态原则上不能用于临床应用, 仅限于基因工 程细胞或 转基因类动 物. 总 的来说, 光学成像 价格较低廉且具有一 个显著优点, 即它允许具有不同光谱特征的探针进行 多通道成像.
hB = hB /2 . 对于确定的核, 旋磁 比 可被精确地测定. 可见, 通过 测定核 磁共振 时辐射 场的频率 , 就 能确定 磁感应 强度; 反之, 若已知磁感应强度, 即可确定核的 共振频率. 当有 外加磁 场时, 原子核 的磁场 发生变 化从而 对外表 现出磁 性. 当 没有外 加磁场时, 原子核的磁场方向杂乱无章, 所以被 检测 目标 呈磁中 性. 当停 止外部 磁场, 被 磁化的 原子 核把吸 收的 能量 释放出 来, 恢复到它以前的状态, 这一恢复过程 为弛豫过程. 磁共振成像的最大优 点是它是目 前少有的对 人体没有 任何伤害的 安全、 快速、准确的临床诊断方法. 1. 2. 2 核素成像
收稿日期: 2010- 08- 29 基金项目: 四川省教育厅科研项目 ( 10ZC059); 阿坝 师范高等专科学校科研课题资助项目 ( A SA 10- 15) 作者简介: 杨 阔 ( 1980 ), 男, 四川安岳人, 阿坝师范高等专科学 校电子 信息工 程系讲师, 电 子科技 大学物理 电子学 院在读
分子成像的关键 技术主要包括分子探针技术、系统测量技术以及数据 分析与处理技术三个方面. 1. 1 分子探针技术
分子探针是一种特殊的分 子, 它是分子成像技术的关键, 它将特殊分子引入组织体内与特定的分 子 (被 称为靶分子 )特异 性结合时产生信号, 在体外可采用核磁共 振 ( M R I) [ 8- 9] , 正电 子发 射计算 机层 析 ( PET ) [ 10- 11] 、CT 和 单光子 发射 计算 机层析 ( SPECT )、超声 [ 12- 13] 以及光学设备进行成像 [ 14- 15] . 表 1列出了各种分子成像设备中的 分子探针特性.
造影剂介导来发现疾 病早期在细胞和分子水平的变化 [ 20- 21]. 传统 CT 和超声成像技术是基于成像 对象的理 化特性, 反映的是 疾病的终末期状态, 无法反映疾病早期发生、发展的分子变化和疾 病的性 质. 随 着具有 更高的 分辨率 与灵敏度 的微 CT 出现, 这项传统技术也进入 分子成像领域, 主要用于肿瘤学和骨科方面的研究 [ 22] . 1. 2. 1 核磁成像
PET 的不足之处是需要回旋加速器产生放射性同位素, 而同位素的半衰期较短, 且 不宜同时检测多种探针, 且设备价格昂 贵. 相对 PET 来说, SPECT 最大的缺点就是只能够进行 半定量分析. 1. 2. 3 光学分子成像技 术 ( O ptica l Im ag ing)
活体动物体内光 学 成像 主 要 有 荧 光 成 像 ( F luo rescence Im ag ing ) 和 生 物 体 自发 光 成 像 ( B io lum inescence Im ag ing) 两 种 技术 [ 23] .