薛華丹，金征宇

分子影像學(xué)(molecular imaging, MI)是隨著影像醫(yī)學(xué)與分子生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展和相互融合而形成的新的研究領(lǐng)域，最早于1999年由美國哈佛大學(xué)Ralph Weissleder教授提出，廣義定義為應(yīng)用影像學(xué)的方法對活體狀態(tài)下的生物過程進行細胞和分子水平的定性和定量研究[1]。與傳統(tǒng)的臨床影像方法相比，它更注重探測疾病分子水平的異常，而不是這些分子改變的最終結(jié)果的成像。進行分子影像學(xué)研究需要高靈敏度的成像設(shè)備，能夠定量檢測與靶目標結(jié)合的皮米或納米級探針，而靶目標(如受體)的表達量通常很低，高水平表達(每個細胞大于106)的受體濃度最多也只在1015/ml微摩爾范圍內(nèi)[2]。因此，作為高敏感性的成像模態(tài)，核醫(yī)學(xué)技術(shù)(PET和SPECT)一直走在分子成像的前列。臨床上現(xiàn)已使用檢測高糖代謝的分子探針(FDG)。此外，磁共振、光學(xué)以及超聲成像也是目前最為常用的分子影像學(xué)技術(shù)，其中磁共振分子顯像研究近年來備受關(guān)注。

1 磁共振分子成像概念

MRI在臨床疾病的診治中一直扮演著重要的角色，尤其近年來磁共振技術(shù)發(fā)展迅速，不僅廣泛用于人體各系統(tǒng)的解剖成像、疾病診斷，更已悄然進入分子影像、功能成像時代。磁共振分子成像技術(shù)(molecular magnetic resonance imaging, mMRI)是以特殊分子作為成像依據(jù)，定性和/或定量研究生物組織內(nèi)基因表達、代謝活性高低及細胞內(nèi)生物活動狀態(tài)等結(jié)構(gòu)及功能變化的生理過程，將非特異性物理成像轉(zhuǎn)為特異性分子成像，進而能在活體狀態(tài)下監(jiān)測病變發(fā)展過程，研究病理機制，在基因治療后、表型改變前評價治療的早期效能， 所以評價疾病的指標更加完善和具備特異性，可提供較傳統(tǒng)的組織學(xué)檢查更立體、快速的三維信息[3]。廣義的磁共振分子成像范疇除包括標記靶分子成像、報告基因成像外尚包括DWI、PWI及MRS。目前磁共振分子成像技術(shù)還處于其發(fā)展的初級階段，但它在臨床醫(yī)學(xué)和基礎(chǔ)研究中都具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

2 磁共振分子成像技術(shù)原理

磁共振分子成像技術(shù)的基本原理如下：將遺傳基因信息、生物化學(xué)與新的成像探針綜合輸入活體組織細胞內(nèi)，用它標記所研究的“靶點”，再利用磁共振分子成像技術(shù)探測分子探針發(fā)出的信息，或采用特殊技術(shù)(如MRS)特定標記與生化代謝相關(guān)的化合物，經(jīng)一系列圖像后處理技術(shù)生成活體組織的分子圖像、功能代謝圖像或基因轉(zhuǎn)變圖像，從而對疾病進行亞臨床期的診斷和治療。

進行活體內(nèi)磁共振分子成像技術(shù)需滿足三個基本條件：(1)高特異性分子探針，(2)生物信號放大技術(shù)，(3)靈敏、快速獲取高分辨率圖像的探測系統(tǒng)。小分子、高親和力的可激活探針，生物信號放大等關(guān)鍵問題對于分子水平的磁共振成像尤為重要[4-6]。

3 分子探針與靶向?qū)Ρ葎?/h2>

分子探針(molecular probe)是一種能與活體細胞內(nèi)某一靶向目標特異性結(jié)合，可以檢測其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)并能產(chǎn)生信號，在原位及體內(nèi)實時被特定的設(shè)備監(jiān)測的一種分子結(jié)構(gòu)。分子探針具有擴增能力，能夠在一定程度上將需要探測的信號進行放大便于成像。分子探針的要求是：分子量要小，與靶目標有高度的親和力，能迅速穿過生物代謝屏障，如血管、間葉組織及細胞膜，半衰期長，不能被機體迅速代謝等[7]。

MR分子探針必須具備與靶組織的高度親和力，能與體內(nèi)組織細胞特異性結(jié)合，且能被MRI探測到對比劑或標記物部分。將傳統(tǒng)MRI對比劑做成分子探針的信號組件，可以通過轉(zhuǎn)運體與靶向性親和組件相連，從而靶向性導(dǎo)入表達特異性靶分子的組織和細胞中，達到對比增強的效果。轉(zhuǎn)運體可以是微粒(脂質(zhì)體、乳劑)、納米高分子、病毒構(gòu)建體、多聚體、氟碳乳劑等。靶向性的親和組件可以直接偶聯(lián)在轉(zhuǎn)運體上，這些親和組件包括小分子多肽類似物、單克隆抗體、重組蛋白、抗體片段、糖及新近應(yīng)用的核酸適體等。

常用的MRI分子探針主要有兩類[8,9]：一類是以釓為基礎(chǔ)的順磁性分子探針, 能產(chǎn)生T1陽性信號對比，有鑭螯合劑和釓-DTPA及其衍生物?，F(xiàn)有研究已證實釓為基礎(chǔ)的可激活探針進行基因表達成像的可行性。但由于以釓為基礎(chǔ)的順磁性分子探針在分子水平成像時所需要的濃度較高，技術(shù)難度大，且存在一定程度的毒性作用，故應(yīng)用較少；另一類是以氧化鐵為基礎(chǔ)的超順磁性分子探針，能產(chǎn)生T2陰性信號對比，可以為單晶體, 也可以是涂有多糖的多晶體。目前常用的是超順磁性氧化鐵顆粒(superparamagnetic iron oxide, SPIO)、超小順磁性氧化鐵顆粒(ultrasmall superparamagnetic iron oxide,USPIO)和單晶體氧化鐵顆粒(monocrystalline iron oxide nanocompounds, MION)，其特點是顆粒小、穿透性強且弛豫率約為同樣條件下Gd的7～10倍, 即在很低濃度條件下就可在MRI上形成對比,同時具有生物可降解性,被細胞代謝后可進入正常血漿鐵池，安全性高，實驗室研究結(jié)果也表明超順磁性物質(zhì)轉(zhuǎn)染后標記的細胞不存在近期和遠期毒副作用,是一種安全、有效、特異性高的分子探針，因此被廣泛應(yīng)用于磁共振分子成像中。

此外，一些可激活探針也逐漸引起人們的興趣，這種可激活探針能夠?qū)χ車h(huán)境產(chǎn)生反應(yīng)，如：pH，溫度，金屬離子，蛋白質(zhì)或酶，核酸，代謝產(chǎn)物等，通過改變分子結(jié)構(gòu)來達到差別對比。

近年來，由于多模態(tài)影像技術(shù)的飛速發(fā)展，多功能分子探針成為分子影像研究領(lǐng)域中的熱點[10,11]。這種探針結(jié)合了MR和其他成像方式的優(yōu)點。美國Stanford大學(xué)醫(yī)學(xué)院新近研制出一種結(jié)合PET和MRI的雙功能分子探針：放射性核素64Cu(半衰期為12.7h)標記的RGD-PASP-IO，并在動物模型體內(nèi)驗證了這種探針對腫瘤表達整合素αvβ3PET/MRI成像的特異性和有效性[12]。這種多模態(tài)的設(shè)計理念已經(jīng)成為小動物在體成像的技術(shù)潮流，并有更多相關(guān)的分子影像技術(shù)納入這一體系。

4 磁共振分子成像基本技術(shù)

通常依據(jù)不同的成像對比劑，磁共振分子成像采用不同的掃描序列。一般包括T1WI、T2WI、T2*map序列和T2map序列。對于以氧化鐵為基礎(chǔ)的分子探針，國內(nèi)外均普遍測量組織的T2*值或T2值。SE序列是臨床檢測組織T2值的首選序列，在保持TR等其他參數(shù)不變的情況下，增加多組TE值，一般為6～8組，如果圖像中每個像素在不同TE上的信號強度與組織T2弛豫的指數(shù)曲線是一致的，該曲線的特性可以用于組織T2值的測量?，F(xiàn)在部分MRI設(shè)備上，安裝有T2值測量和計算軟件，當(dāng)SE序列選用多個TE，調(diào)用該軟件可以自動計算每個像素的T2值，并可自動生成T2值圖(T2 map)。

由于T2*值可以更靈敏地反應(yīng)組織內(nèi)磁敏感性的改變，近年來組織T2*值的測量日益受到重視，其采用擾相GRE序列，在該序列上保持TR、脈沖偏轉(zhuǎn)角等信息參數(shù)不變，采用2個以上的TE獲得2組以上的圖像，測量不同TE圖像上組織的信號強度，計算組織的T2*值。在GE公司的設(shè)備上目前有一個研究版本軟件，專門用于組織T2*值的測量，可合成T2*圖(單位為毫秒)或R2*圖(R2*也稱為T2*弛豫率，R2*=1/T2*，單位為Hz)。

5 磁共振分子成像技術(shù)的應(yīng)用概況

磁共振分子影像學(xué)目前主要應(yīng)用在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域(除外DWI、PWI、MRS臨床已常規(guī)應(yīng)用技術(shù))，由于受到學(xué)科現(xiàn)有技術(shù)水平和法律法規(guī)的限制，臨床前及臨床實驗很少開展。即使如此，磁共振分子影像學(xué)仍顯示出了很好的應(yīng)用前景，其在基因顯像、血管生成、疾病的早期診斷、療效評估、細胞示蹤及藥物篩選等方面已取得了令人振奮的成果。

5.1 基因表達與基因治療成像

在臨床醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域中，基因治療被認為是最具潛力、最可能發(fā)生革命性變化的領(lǐng)域，基因轉(zhuǎn)染和表達是其中的主要技術(shù)手段。應(yīng)用磁共振報告基因成像可將目的基因和報告基因整合在一起，通過監(jiān)測報告基因來判斷目的基因的存在情況。在以MR為成像方法的報告基因技術(shù)中，第1類標記基因編碼產(chǎn)物為酶類，包括酪氨酸酶、β-半乳糖苷酶、胞嘧啶脫氨酶、精氨酸激酶、肌酸酐激酶。這種方法開發(fā)了特定酶修改成像藥物前體(prodrugs)的能力，即將探針(含酶底物)修飾成藥物前體，經(jīng)特定的酶催化，將藥物釋放出來，通過藥物在組織中的積聚反映出目的基因的表達。第2類標記基因編碼產(chǎn)物為受體，主要為轉(zhuǎn)鐵蛋白受體，通過轉(zhuǎn)鐵蛋白受體探針進行探測。

磁共振基因成像技術(shù)是繼核素基因顯像之后出現(xiàn)的新的無創(chuàng)性技術(shù)，其突出的特點是具有更高的空間分辨率(spatial resolution)，可反復(fù)動態(tài)觀察，且能同時獲得生理與解剖信息，因而多應(yīng)用于基因傳遞、基因表達及基因療效監(jiān)測中[13]。其潛在應(yīng)用包括：①示蹤載體(包括載體干細胞)，顯示載體的分布情況；②明確轉(zhuǎn)染的目的基因是否在靶器官成功表達；③定位靶組織內(nèi)的基因分布是否合適；④評估靶細胞的基因表達水平及持續(xù)時間，追蹤能否遺傳等。另外，它的應(yīng)用將增加對基因轉(zhuǎn)染過程的了解，這對基因治療的發(fā)展和完善極為重要。

5.2 分子水平定量評價腫瘤的血管生成

目前，監(jiān)測腫瘤血管生成最引人注目的方法是以與腫瘤血管生成密切相關(guān)的新生血管內(nèi)皮細胞的表達物為靶目標進行成像。常用的有以VEGF、整合素αvβ3為成像靶點的MR分子成像。如將對比劑與整合素αvβ3單抗拼接后，可與整合素αvβ3結(jié)合，進而將新生血管與原有宿主血管分開，定量分析新生血管的結(jié)構(gòu)和功能情況[14,15]。另一方面，由于腫瘤血管生成過程中伴隨某些特征性標記物水平上調(diào)，通過與這些標記物特異性結(jié)合，從而進行外源性基因的表達成像。Kayyem等[16]合成了一種耦聯(lián)多聚賴氨酸的特殊配體分子，兩端分別連接治療基因和MR對比劑，可與細胞表面受體或抗原特異性結(jié)合，把所連接的治療基因、MR對比劑同時導(dǎo)入到特定細胞內(nèi)，通過MR的強化程度即可直接判斷目的基因的轉(zhuǎn)染情況。目前，上述特異性對比劑如釓離子標記的多聚脂質(zhì)體已經(jīng)接近臨床應(yīng)用。

因此，MR分子成像技術(shù)可以定量分析新生血管的生成、結(jié)構(gòu)和功能情況，還可監(jiān)測血管生成抑制因子及刺激因子在時間及空間上的分布。另外，經(jīng)過修飾后的特異性對比劑還可轉(zhuǎn)變成具有治療功能的物質(zhì)，使治療和診斷合二為一。

5.3 疾病早期診斷、療效監(jiān)測

目前臨床對疾病的影像學(xué)診斷是以大體病理改變?yōu)榛A(chǔ)的，發(fā)現(xiàn)時往往是疾病的終末期。磁共振分子成像技術(shù)實現(xiàn)了在分子水平檢測病變，從而真正達到了早期診斷、早期治療的目的。同時應(yīng)用分子影像學(xué)技術(shù)在治療極早期就可以反映出治療的效果，從而對治療方案進行準確評估[17]。

5.4 細胞示蹤

細胞治療是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)治療技術(shù)的重要組成部分。細胞治療廣泛開展后，如何無創(chuàng)性在活體內(nèi)動態(tài)監(jiān)測細胞的遷移、生存狀態(tài)一直是困擾醫(yī)學(xué)科研工作者的難題，也是近幾年研究工作的熱點。能否在細胞分子水平對活體細胞的分布、增殖、遷徙進行評價是影響治療成敗的關(guān)鍵因素。

在基礎(chǔ)研究中，MR示蹤劑的有效時間長，可以實時、無創(chuàng)、連續(xù)多次觀察細胞的動態(tài)遷徙過程，且空間、時間分辨率高，對比度好，故在活體細胞的示蹤中有良好的前景[18,19]。與常規(guī)體外和細胞培養(yǎng)技術(shù)相比具有明顯優(yōu)勢，磁共振分子成像技術(shù)為細胞示蹤術(shù)的發(fā)展提供了充足的技術(shù)保障和良好的研究平臺，從而開創(chuàng)了分子影像學(xué)與細胞治療相結(jié)合的新局面。

5.5 藥物研究

磁共振分子成像技術(shù)對藥物的臨床前研究發(fā)揮重大作用。在藥物研發(fā)早期，將標記的受試藥物取微克量注入到動物體內(nèi)，利用分子影像學(xué)技術(shù)就可以監(jiān)測藥物在動物體內(nèi)的分布情況，判斷該藥物是否能夠準確到達靶區(qū)，對藥物的藥代動力學(xué)和藥效動力學(xué)特征進行系統(tǒng)評測[20]，從而提高藥物臨床前安全性評價的可參考價值，提供更為可靠的依據(jù)。同時，還可以極大加快藥物的研發(fā)速度，縮短預(yù)臨床研究時間，減少新藥研制的資金投入。

6 磁共振分子成像技術(shù)的不足與展望

目前，磁共振分子成像技術(shù)在動物實驗水平已取得重大研究進展，大量研究已證實利用磁共振技術(shù)進行分子水平成像的優(yōu)勢及可行性，但要實現(xiàn)臨床廣泛應(yīng)用仍面臨許多問題，如分子探針的安全性、敏感性及標準方法的建立；探測信號敏感性；擴增系統(tǒng)的有效性等。這些還有待于磁共振軟、硬件系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)的進一步發(fā)展，此外，發(fā)展多模態(tài)成像克服單一模態(tài)技術(shù)的局限性也是未來研究的發(fā)展方向[21]。

總之，磁共振分子成像技術(shù)為醫(yī)學(xué)影像學(xué)的發(fā)展提供了一個前所未有的機遇，將極大促進相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展，顯著提高疾病診斷的敏感性和準確性，將生命影像診斷技術(shù)帶入全新的時代。

[1]Weissleder R.Molecular imaging: exploring the next frontier.Radiology, 1999, 212(3): 609-614.

[2]Weissleder R, Pittet MJ.Imaging in the era of molecular oncology.Nature, 2008, 452(7187): 580-589.

[3]Ren J, Yang Y, Wang F, et al.MRI of prostate stem cell antigen specifi c MR molecular probe in human prostate cancer at 3.0 T: in vitro experimental study.Chin J Magn Reson Imaging, 2010, 1(2): 138-141.任靜,楊勇,王芳,等.前列腺干細胞抗原特異性MR分子探針體外成像實驗研究.磁共振成像, 2010, 1(2): 138-141.

[4]Weissleder R, Ntziachristos V.Shedding light onto live molecular targets.Nat Med, 2003, 9(1): 123–128.

[5]Bogdanov A Jr, Matuszewski L, Bremer C, et al.Oligomerization of paramagnetic substrates result in signal amplifi cation and can be used for MR imaging of molecular targets.Mol Imaging, 2002, 1(1): 16-23

[6]Brindle KM.Molecular imaging using magnetic resonance:new tools fort he development of tumour therapy.Br J Radiol, 2003, 76(Spec 2:): S111-S117

[7]Herschman HR.Molecualr imaging: looking at problems seeing solutions.Science, 2003, 302(5645): 605-608

[8]Aime S, Cabella C, Colombatto S, et al.Insights into the use of paramagnetic Gd (III) complexes in MR-molecular imaging investigations.J Magn Reson Imaging, 2002,16(4): 394-406.

[9]Straathof R, Strijkers GJ, Nicolay K.Target-Specific Paramagnetic and Superparamagnetic Micelles for Molecular MR Imaging.Methods Mol Biol, 2011, 771:691-715.

[10]Lee S, Chen X.Molecular dual-modality probes for in vivo molecular imaging.Mol Imging, 2009, 8(2): 87-100.

[11]Jennings L, Long N.'Two is better than one'--probes for dual-modality molecular imaging.Chem Commun (Camb),2009, (24): 3511-3524.

[12]Lee HY, Li Z, Chen K, et al.PET/MRI dual-modality tumor imaging using arginine-glycine-aspartic (RGD)-conjugated radiolabeled iron oxide nanoparticles.J Nucl Med, 2008, 49(8): 1371-1379.

[13]Louie AY, Huber MM, Ahrens ET, et al.In vivo visualization of gene expression using magnetic resonance imaging.Nat Biotechnol, 2000, 18(3): 321-325.

[14]van Tilborg GA, Mulder WJ, van der Schaft DW.Improved Magnetic Resonance Molecular Imaging of Tumor Angiogenesis by Avidin-Induced Clearance of Nonbound Bimodal Liposomes.Neoplasia, 2008, 10(12): 1459-1469.

[15]Zhang C, Jugold M, Woenne EC, et al.Specifi c targeting of tumor angiogenesis by RGD conjugated ultrasmall superparamagnetic iron oxide particles using a clinical 1.5-T magnetic resonance scanner.Cancer Res, 2007,67(4): 1555-1562.

[16]Kayyem JF, Kumar RM, Fraser SE, et al.Receptor-targeted co-transport of DNA and magnetic resonance contrast agents.Chem Biol, 1995, 2(9): 615-620.

[17]Wong FC, Kim EE.A review of molecular imaging studies reaching the clinical stage.Eur J Radiol, 2009, 70(2): 205-211.

[18]Neri M, Maderna C, Cavazzin C, et al.Efficient in vitro labeling of human neural precursor cells with superparamagnetic iron oxide particles: relevance for in vivo cell tracking.Stem Cells, 2008, 26(2): 505-516.

[19]Qiao H, Zhang H, Zheng Y, et al.Embryonic Stem Cell Grafting in Normal and Infarcted Myocardium: Serial Assessment with MR Imaging and PET Dual Detection.Radiology, 2009, 250(3): 821-829.

[20]Willmann JK, van Bruggen N, Dinkelborg LM, et al.Molecular imaging in drug development.Nat Rev Drug Discov, 2008, 7(7): 591-607.

[21]Baker M.Whole-animal imaging: The whole picture.Nature, 2010, 463(7283): 977-980.