張亞青，李林瑤，郝夢(mèng)琪，羅 沁，鄧思雨，楊 蕓，梁雪微，方威威，宋爾群

（1.西南大學(xué)藥學(xué)院,發(fā)光分析與分子傳感教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400715；2.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,重慶400715）

細(xì)菌感染引起的許多重大疾病在全球范圍內(nèi)造成了顯著提高的死亡率.1928年，青霉素被發(fā)現(xiàn)并引入臨床成為現(xiàn)代醫(yī)療系統(tǒng)的基石，此后，多種抗生素被發(fā)現(xiàn)和發(fā)展用于抵抗致病菌引起的感染.但抗生素的濫用使得多種耐藥細(xì)菌如耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）及耐萬(wàn)古霉素腸球菌（VRE）等的出現(xiàn)和傳播，進(jìn)而導(dǎo)致侵襲性、危及生命的疾病病例數(shù)量急劇增加［1，2］.據(jù)美國(guó)疾病控制與預(yù)防中心估計(jì)，每年有超過(guò)200萬(wàn)人會(huì)遭受抗生素耐藥性細(xì)菌感染［3］.由耐多藥細(xì)菌所引起的疾病發(fā)病率的不斷上升不僅對(duì)公眾健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，同時(shí)也造成了巨大的醫(yī)療壓力.

造成抗生素濫用的主要原因之一是細(xì)菌感染早期精準(zhǔn)診斷技術(shù)的匱乏.目前，臨床細(xì)菌感染主要是通過(guò)血液檢查和組織活檢診斷，這些診斷方法操作復(fù)雜、效率低并且有創(chuàng).近年來(lái)，一些實(shí)時(shí)、無(wú)創(chuàng)的細(xì)菌感染體內(nèi)成像方法蓬勃發(fā)展，如計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）、正電子發(fā)射斷層掃描（PET）、超聲成像（US）及磁共振成像（MRI）等.這些方法可提供感染部位高分辨圖像，但不易于區(qū)分非細(xì)菌炎癥感染.具有高靈敏度特性的熒光成像（FL）被廣泛用于細(xì)菌檢測(cè)，但由于其穿透深度的限制只能用于淺層組織成像.這些成像技術(shù)各具優(yōu)缺點(diǎn)，為取長(zhǎng)補(bǔ)短，越來(lái)越多的研究?jī)A向于將兩種或多種成像技術(shù)結(jié)合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)組織多模態(tài)成像［4，5］.

分子影像是醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和分子生物學(xué)、材料科學(xué)及生物工程學(xué)等相結(jié)合用于顯示活體內(nèi)細(xì)胞和分子水平生物學(xué)過(guò)程的新技術(shù).與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像手段相比，分子影像的特點(diǎn)在于可將基因表達(dá)、生物信號(hào)傳遞等復(fù)雜的過(guò)程變成直觀的圖像，提供以解剖結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)、以分子水平為基準(zhǔn)的疾病發(fā)生和發(fā)展的定位、定性、定量信息，為疾病分期診斷提供準(zhǔn)確依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)疾病的早期和準(zhǔn)確診斷.開展體內(nèi)細(xì)菌成像探針的研發(fā)是實(shí)現(xiàn)細(xì)菌感染早期檢測(cè)的重要前提，也是目前的分子影像領(lǐng)域重要研究方向之一.本文綜合評(píng)述了目前細(xì)菌感染成像探針及相關(guān)技術(shù)的研究進(jìn)展，并對(duì)細(xì)菌活體成像的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行討論，以期為細(xì)菌感染檢測(cè)方法的發(fā)展提供參考.

1 單模態(tài)成像

1.1 計(jì)算機(jī)斷層掃描

CT成像技術(shù)由于具有掃描速度快、成像圖片分辨率高及患者兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于各種細(xì)菌感染性疾?。ㄈ绶窝?、腸炎、肌肉骨骼細(xì)菌感染及尿路感染等）的診斷［6~9］.對(duì)軟組織進(jìn)行CT掃描需要使用造影劑來(lái)增強(qiáng)對(duì)比以揭示解剖信息.臨床上常用碘化化合物，如商品化的歐內(nèi)派克（Omnipaque）、優(yōu)維顯（Ultravist）及典比樂（Iopamidol）等進(jìn)行CT成像造影，但這些含碘造影劑存在引起嚴(yán)重碘超敏反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)［9，10］.金納米顆粒（Au NPs）由于其高X射線衰減和良好的生物相容性，近年來(lái)被逐漸用于CT造影劑的研究［11］.Huo等［12］合成了具有X射線衰減能力的Au@Ag核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒，其對(duì)于肝、心、腎和膀胱等主要器官和大血管有較好的增強(qiáng)CT成像效果，且與商品化Omnipaque相比，相同濃度下該納米顆粒表現(xiàn)出更好的CT成像增強(qiáng)能力.隨后，Huo等［13］進(jìn)一步在該納米顆粒表面修飾了特異性抗體用于小鼠MRSA感染性肺炎的靶向CT成像，發(fā)現(xiàn)病灶部位和正常組織可明顯區(qū)分.此外，一些其它元素，如鉍（Bi）、鉭（Ta）和鎢（W）等也被探索用于CT成像［14］.Zu等［15］合成了一種具有抑菌和增強(qiáng)CT成像雙功能的Bi2S3@mSiO2@Ag納米復(fù)合材料，在構(gòu)建的細(xì)菌性腸炎動(dòng)物模型中，其可作為增強(qiáng)胃腸道可視化的造影劑和抗菌藥物（圖1）.

Fig.1 Schematic illustration of the application of the Bi2S3@mSiO2@Ag for CT imaging and antibacterial treatment of the gastrointestinal(GI)tract[15]

作為一種結(jié)構(gòu)成像技術(shù)，目前CT成像主要依賴于細(xì)菌感染引起的組織和器官的結(jié)構(gòu)異常進(jìn)行診斷，因此不能將細(xì)菌感染與其它炎癥感染區(qū)分開來(lái)［16］.此外，由于CT成像是通過(guò)組織結(jié)構(gòu)對(duì)X射線的吸收程度而實(shí)現(xiàn)的，因此其在定量分析和分子與細(xì)胞水平上靈敏檢測(cè)方面受限，同時(shí)輻射損傷也限制了臨床患者使用CT成像診斷的頻率.未來(lái)可通過(guò)設(shè)計(jì)靶向分子探針實(shí)現(xiàn)CT功能成像或結(jié)合光學(xué)及MRI等多模態(tài)成像模式彌補(bǔ)單一CT成像的不足.

1.2 正電子發(fā)射斷層掃描

Fig.2 Molecular targets for bacteria?specific imaging agents[17]

PET是一種可以反映分子代謝的核成像技術(shù)，有利于細(xì)菌感染的早期診斷.目前基于PET成像進(jìn)行體內(nèi)細(xì)菌感染檢測(cè)的研究主要是針對(duì)特定細(xì)菌代謝途徑發(fā)展放射性示蹤劑，包括碳水化合物代謝系統(tǒng)、Fe轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)和細(xì)胞壁合成過(guò)程等（圖2）［17］.氟代脫氧葡萄糖（18F-FDG）是目前臨床上廣泛用于感染性疾病如心內(nèi)膜炎、炎癥性腸病診斷的PET示蹤劑［18］，其示蹤原理是感染部位糖酵解增加引起葡萄糖代謝活性增強(qiáng)使得對(duì)18F-FDG攝取提高，從而區(qū)別于其它正常組織.然而，糖酵解增加并不是細(xì)菌感染部位所特有的，其它炎癥部位或腫瘤細(xì)胞中葡萄糖代謝活動(dòng)也是顯著增強(qiáng)的，因此，18F-FDG無(wú)法將細(xì)菌感染與其它病理（如癌癥和炎癥）區(qū)分開來(lái).麥芽糖和麥芽糖糊精是細(xì)菌的能量來(lái)源，它們通過(guò)細(xì)菌特有的麥芽糖糊精轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)被吸收.基于此，Ning等［19］設(shè)計(jì)制備了18F標(biāo)記的麥芽糖醇（MH18F）PET示蹤劑用于體內(nèi)由105 CFU的大腸桿菌引起的早期感染成像，與18F-FDG相比，其檢測(cè)靈敏度高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，且可以區(qū)分活死菌和監(jiān)測(cè)抗生素治療效果.但MH18F藥代動(dòng)力學(xué)不理想，信噪比較差，限制了其臨床應(yīng)用.為了在臨床上轉(zhuǎn)化這類示蹤劑，Gowrishankar等［20］開發(fā)了第二代示蹤劑：6-18F-氟麥芽三糖.研究表明，6-18F-氟麥芽三糖能在體內(nèi)外被多種致病細(xì)菌攝取，且其藥代動(dòng)力學(xué)特征優(yōu)于先前表征的MH18F探針.山梨糖醇是腸桿菌科細(xì)菌獨(dú)特的糖代謝底物，Weinstein等［21］發(fā)展了氟代脫氧山梨糖醇（18F-FDS）PET示蹤劑用于常見腸桿菌科細(xì)菌如耶爾森氏菌、大腸桿菌及克雷伯氏菌等的感染成像.體外和體內(nèi)研究表明，18F-FDS在腸桿菌科細(xì)菌感染病灶中大量積累，而在哺乳動(dòng)物細(xì)胞、無(wú)菌炎癥病灶或其它細(xì)菌種類引起的感染中幾乎沒有攝取，因此，18F-FDS在識(shí)別和監(jiān)測(cè)由腸桿菌科細(xì)菌引起的感染方面具有巨大潛力［22］.鐵載體是微生物用來(lái)吸收或清除必需Fe的低分子量螯合劑，可以被微生物的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白識(shí)別和吸收，且許多鐵載體對(duì)特定一種或一類的細(xì)菌具有特異性，因此用合適的放射性金屬元素（如Ga-68）取代鐵載體中的Fe，為細(xì)菌感染的特異性靶向成像開辟了新途徑［23］.Petrik等［24］利用銅綠假單胞菌生產(chǎn)的鐵載體pyocyanin PAO1螯合Ga-68，實(shí)現(xiàn)了銅綠假單胞菌感染的特異性成像.細(xì)菌細(xì)胞壁肽聚糖是由線性糖鏈經(jīng)短肽交聯(lián)形成的多聚體，其中短肽末端高度保守的D-丙氨酸在肽聚糖的合成和代謝過(guò)程中會(huì)進(jìn)行肽段交聯(lián)、水解、替換等修飾，從而使得外源的D-氨基酸能夠代謝摻入細(xì)菌細(xì)胞壁，而哺乳動(dòng)物細(xì)胞并不會(huì)利用外源性D-氨基酸，基于此，近年來(lái)D-氨基酸被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)構(gòu)建細(xì)菌成像探針［25~28］.例如，Neumann等［29］以11C標(biāo)記的D-甲硫氨酸（11C-D-Met）作為PET示蹤劑用于小鼠大腸桿菌和金黃色細(xì)菌感染肌炎模型的成像，并證明了其在區(qū)分細(xì)菌感染和無(wú)菌炎癥方面的特異性.葉酸是原核生物和真核生物中許多代謝途徑的關(guān)鍵成分，包括DNA和氨基酸合成.人類需要通過(guò)飲食獲得外源性的葉酸，而細(xì)菌能夠產(chǎn)生自己的葉酸，其中氨基苯甲酸（PABA）因是細(xì)菌合成葉酸的關(guān)鍵前體而被細(xì)菌特異性吸收.Zhang等［30］發(fā)展了PABA放射性氟化類似物（2-［18F］F-PABA）作為細(xì)菌感染PET成像示蹤劑用于區(qū)分細(xì)菌感染和無(wú)菌炎癥.Mutch等［31］則開發(fā)了11C標(biāo)記的PABA（［11C］PABA）PET成像示蹤劑用于細(xì)菌感染特異性成像，并且有臨床人體實(shí)驗(yàn)表明［11C］PABA具有快速的腎臟排泄和低背景信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，臨床應(yīng)用價(jià)值非常高.Sellmyer等［32］利用與細(xì)菌特有的二氫葉酸還原酶有高親和力的抗生素甲氧芐啶設(shè)計(jì)了氟丙基甲氧芐氨嘧啶（［18F］FPTMP）分子探針用于細(xì)菌感染特異性成像，［18F］FPTMP探針對(duì)細(xì)菌具有納摩爾級(jí)的親和力，更利于臨床檢測(cè)中的低劑量使用.UBI-29-41是哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)上皮細(xì)胞中抗菌肽的細(xì)菌結(jié)合域多肽，是設(shè)計(jì)區(qū)分細(xì)菌感染與無(wú)菌炎癥分子探針的有力候選者.Vilche等［33］設(shè)計(jì)了68Ga-NOTA綴合的UBI-29-41探針（68Ga-NOTA-UBI-29-41）用于細(xì)菌感染特異性成像.Wang等［34］將疊氮修飾的半乳糖與脆弱擬桿菌共培養(yǎng)以通過(guò)糖代謝途徑修飾于細(xì)菌表面，然后通過(guò)疊氮與炔烴點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)在細(xì)菌表面連接放射性核素64Cu，并通過(guò)PET成像考察了64Cu標(biāo)記的脆弱擬桿菌在小鼠體內(nèi)的分布.與常規(guī)的熒光標(biāo)記追蹤體外移植細(xì)菌在體內(nèi)的分布相比，64Cu標(biāo)記PET成像具有更高的組織穿透性和靈敏度，是研究細(xì)菌在體內(nèi)生物活動(dòng)的有利工具.然而對(duì)于細(xì)菌感染體內(nèi)檢測(cè)而言，設(shè)計(jì)兩步標(biāo)記的生物正交探針并不是最佳的選擇，因?yàn)轶w內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境可能會(huì)影響生物正交效率，從而降低檢測(cè)的準(zhǔn)確性和靈敏度.基于哺乳動(dòng)物和細(xì)菌之間的分子或細(xì)胞通路的內(nèi)在差異開發(fā)高靈敏度的細(xì)菌特異性PET分子成像探針，以實(shí)現(xiàn)細(xì)菌感染定量檢測(cè)是PET成像技術(shù)用于細(xì)菌診斷領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的主要方向之一，具有廣闊的發(fā)展前景.

Fig.3 Ultrasound imaging of bacteria in the gastrointestinal tract[39]

1.3 超聲成像

超聲成像是利用超聲波掃描機(jī)體后接收、處理反射的聲波信號(hào)，以獲得體內(nèi)器官圖象的成像方法.由于設(shè)備簡(jiǎn)單、無(wú)電離輻射性、成像速度快、無(wú)創(chuàng)等優(yōu)點(diǎn)，該成像技術(shù)在臨床上應(yīng)用廣泛.然而超聲成像由于組織穿透深度有限、骨骼或軟組織中空氣產(chǎn)生的強(qiáng)背景信號(hào)干擾等在一定程度上限制了其使用.近年來(lái)發(fā)展的超聲造影劑輔助成像提高了病變部位的成像對(duì)比度.常用的超聲造影劑有微泡、納米滴、納米泡和脂質(zhì)體等［35，36］，其中微氣泡目前廣泛用于體內(nèi)細(xì)菌超聲成像研究［37］.2012年，Pfeifer［38］發(fā)現(xiàn)許多古細(xì)菌，如生活在鹽池中的藍(lán)藻細(xì)菌、產(chǎn)氧光合細(xì)菌、嗜冷異養(yǎng)細(xì)菌和嗜鹽古菌等，可以合成稱之為氣體囊泡（GVs）的充氣蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)用作水生環(huán)境中的浮選設(shè)備.利用GVs可以產(chǎn)生穩(wěn)定的超聲對(duì)比信號(hào)這一特點(diǎn)，Bourdeau等［39］通過(guò)基因工程在常見致病菌大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌中成功構(gòu)建了GVs，實(shí)現(xiàn)了體內(nèi)細(xì)菌定位成像（圖3）.此外，該研究表明，特定的壓力脈沖可使GVs崩塌，從而能夠在消除背景信號(hào)基礎(chǔ)上根據(jù)超聲信號(hào)消失的位置對(duì)樣本進(jìn)行二次精準(zhǔn)定位.然而能夠分泌GVs的自然菌種類有限，且大多數(shù)體內(nèi)感染致病菌不能分泌這種GVs，因此該方法的臨床應(yīng)用受限.GVs在遺傳上是可編碼的，通過(guò)基因工程可改造其表面性質(zhì)或進(jìn)行表面修飾［40］.Lakshmanan等［41］通過(guò)基因工程改造了GVs外殼的表面蛋白，使其可被特定酶識(shí)別和切割，產(chǎn)生超聲對(duì)比信號(hào)，從而用于可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)細(xì)胞內(nèi)酶活性.該蛋白酶觸發(fā)的超聲成像策略為發(fā)展細(xì)菌感染超聲成像探針帶來(lái)了新的啟發(fā)，可通過(guò)基因工程改造GVs以響應(yīng)細(xì)菌獨(dú)特的感染微環(huán)境或分泌物等達(dá)到細(xì)菌感染特異性超聲成像的目的.因此，基因工程化GVs是超聲影像發(fā)展新的增長(zhǎng)點(diǎn)，有望像熒光蛋白一樣在分子影像領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用.

1.4 磁共振成像

MRI是利用核磁共振原理進(jìn)行成像的一種技術(shù).MRI通過(guò)在靜磁場(chǎng)中施加特定頻率的射頻脈沖和特定方向的磁場(chǎng)梯度，使被測(cè)樣品產(chǎn)生的磁共振信號(hào)變得位置依賴，從而實(shí)現(xiàn)空間位置信息的編碼.與其它分子影像技術(shù)相比，MRI具有對(duì)檢查對(duì)象無(wú)損無(wú)創(chuàng)、軟組織對(duì)比度高及組織穿透力強(qiáng)等特點(diǎn).MRI可通過(guò)測(cè)量1H縱向弛豫時(shí)間（T1）的變化來(lái)監(jiān)測(cè)感染性病變部位［42］.但體內(nèi)廣泛存在的1H使得背景信號(hào)高，成像對(duì)比度低，因此需要造影劑來(lái)增強(qiáng)成像.Zhang等［43］將抗生素新霉素與美國(guó)食品和藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)的T1加權(quán)MRI造影劑Gd-DOTA結(jié)合，開發(fā)了特異靶向細(xì)菌的MRI成像探針，并實(shí)現(xiàn)了活體細(xì)菌感染的高分辨成像［圖4（A）］.Wang等［44］設(shè)計(jì)了基于Mn作為造影劑的MRI成像探針用于小鼠細(xì)菌感染成像，該探針表面修飾有細(xì)菌靶向肽和絡(luò)合了Mn的卟啉聲敏劑（MnTCPP），可同時(shí)實(shí)現(xiàn)細(xì)菌靶向成像和聲動(dòng)力治療，并通過(guò)MRI成像監(jiān)測(cè)治療效果［圖4（B）］.與1H-MRI相比，19F-MRI因無(wú)內(nèi)源性背景信號(hào)而具有更高的成像對(duì)比度，如有研究者用全氟碳乳劑（PFC）作為19F-MRI造影劑追蹤細(xì)胞、觀察炎癥［45］.Hertlein等［46］以PCF作為19F-MRI造影劑觀察金黃色葡萄球菌感染小鼠大腿膿腫的形成，但由于PCF是通過(guò)被免疫細(xì)胞吞噬后遷移到炎癥部位，因此不能明確區(qū)分細(xì)菌感染和無(wú)菌性炎癥.

Fig.4 Schematic illustration of the application of the Ga?based(A)[43]and Mn?based(B)[44]MRI contrast agents for bacterial infection imaging and MRI guided treatment

1.5 熒光成像

熒光成像是研究生理學(xué)、分子生物學(xué)、免疫學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的重要研究方法.基于光學(xué)示蹤劑進(jìn)行細(xì)菌感染成像主要有兩種策略：（1）采用基因編碼的熒光素酶［47］或綠色熒光蛋白［48］進(jìn)行標(biāo)記；（2）使用帶有親和配體和熒光報(bào)告基團(tuán)的分子探針［49~52］.熒光素酶或綠色熒光蛋白在大多數(shù)野生型細(xì)菌中無(wú)內(nèi)源性表達(dá)，臨床應(yīng)用價(jià)值較低；而熒光分子探針由于可根據(jù)所需進(jìn)行體外設(shè)計(jì)和構(gòu)建，其應(yīng)用更加廣泛.Leevy等［53］設(shè)計(jì)了一種由鋅（II）-二甲基吡啶胺（Zn-DPA）結(jié)合近紅外花青染料構(gòu)成的成像探針，該探針基于靜電作用吸附在細(xì)菌表面，實(shí)現(xiàn)了小鼠腿部細(xì)菌感染成像.然而，該熒光Zn-DPA探針也可與帶負(fù)電荷的凋亡細(xì)胞結(jié)合［54］，其特異性相對(duì)較低.Ning等［55］基于細(xì)菌獨(dú)有的麥芽糊精運(yùn)輸途徑設(shè)計(jì)制備了熒光標(biāo)記的麥芽糖醇分子探針用于小鼠體內(nèi)低至105CFU的細(xì)菌感染熒光成像，且該探針可區(qū)分細(xì)菌感染和非細(xì)菌炎癥感染［圖5（A）］.Wang等［56］開發(fā)了近紅外熒光染料偶聯(lián)D-丙氨酸的細(xì)菌代謝探針用于小鼠腸道微生物群熒光成像，為發(fā)展細(xì)菌感染成像探針提供了參考.Zhao等［57］將銅綠假單胞菌獨(dú)特的金屬運(yùn)輸載體pseudopaline與近紅外熒光染料Cy7偶連，用于小鼠銅綠假單胞菌感染的高特異性檢測(cè)，為快速、精準(zhǔn)檢測(cè)銅綠假單胞菌感染提供了新工具.萬(wàn)古霉素是一種廣泛使用的革蘭氏陽(yáng)性菌特異性抗生素，其對(duì)于革蘭氏陽(yáng)性菌的細(xì)胞壁前體肽聚末端的丙氨酰丙氨酸具有高親和力.Van Oosten等［50］使用臨床批準(zhǔn)的近紅外熒光染料IRDye-800CW標(biāo)記萬(wàn)古霉素特異靶向和檢測(cè)革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌感染［圖5（B）］，在小鼠感染模型和人體感染模型（死尸）中展現(xiàn)出較高的信噪比.鑒于萬(wàn)古霉素和IRDye-800CW都獲得了臨床使用批注，因此該成像探針具有臨床應(yīng)用的巨大潛能.3-脫氧-D-甘露糖-辛糖酸（KDO）是革蘭氏陰性菌外膜脂多糖中特有且不可缺少的一種單糖成分，外源性的KDO或KDO類似物可以通過(guò)脂多糖代謝修飾到細(xì)菌表面［58］.Wang等［59］將熒光染料標(biāo)記的KDO用于小鼠腸道革蘭氏陰性菌特異性標(biāo)記熒光成像，為發(fā)展革蘭氏陰性菌感染的特異性檢測(cè)探針提供了參考.

Fig.5 Schematic illustration of the application of fluorescently labeled maltohexaose(A)[55],Vanco?800CW(B)[50],TPACN?D?Ala(C)[64]and AIEgen?peptide(D)[52]for fluorescence imaging of bacterial infection

隨著納米科學(xué)的發(fā)展，熒光納米材料在細(xì)菌感染成像方面也備受關(guān)注.與熒光染料相比，熒光納米材料具有更高的生物相容性和光穩(wěn)定性［60~62］.如熒光碳納米管（SWNT）的斯托克斯位移大且自發(fā)熒光背景低，可在近紅外二區(qū)（NIR-II）成像.Bardhan等［49］報(bào)道了一種M13噬菌體功能化的SWNT探針用于細(xì)菌感染的靶向熒光成像，在小鼠金黃色葡萄球菌感染性心內(nèi)膜炎模型中，該探針的顯像增強(qiáng)率可達(dá)5.7倍.Chen等［62］合成了可與細(xì)菌靜電結(jié)合的近紅外二區(qū)發(fā)光的硫化鉛量子點(diǎn)（PbS QD）用于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)小鼠細(xì)菌感染.PbS QD具有良好的熒光穩(wěn)定性，被認(rèn)為是一種實(shí)時(shí)且長(zhǎng)效（28 d）的體內(nèi)顯像劑，有很高的利用價(jià)值.傳統(tǒng)熒光探針的熒光信號(hào)通常處于開啟狀態(tài)，這必然會(huì)降低探針的信噪比和靈敏度，且熒光探針在聚集狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)熒光猝滅，不適合由聚集或組裝引發(fā)的熒光成像.聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）分子具有與傳統(tǒng)熒光染料完全不同的聚集后熒光開啟的關(guān)鍵特性，可作為細(xì)菌感染成像的良好候選 材料［63］.Mao等［64］開發(fā)了一種AIE光敏劑偶連D-丙氨酸（D-Ala）的細(xì)菌代謝探針，用于特異性標(biāo)記體內(nèi)細(xì)菌進(jìn)行熒光成像，且該探針可通過(guò)光照產(chǎn)生活性氧1O2殺傷細(xì)菌，實(shí)現(xiàn)體內(nèi)細(xì)菌感染診療一體化［圖5（C）］.Yang等［52］報(bào)道了一種萬(wàn)古霉素修飾的自組裝肽與AIE光敏劑相結(jié)合的探針用于體內(nèi)革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌感染的熒光成像和光動(dòng)力治療［圖5（D）］.

與其它成像方法相比，光學(xué)成像具有分辨率高、不存在電離輻射及其相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)時(shí)可視化及成本較低等優(yōu)勢(shì)；其缺點(diǎn)在于組織穿透深度有限.隨著熒光材料的不斷發(fā)展和電荷耦合器件相機(jī)的改進(jìn)，更深層次的細(xì)菌感染光學(xué)成像將成為可能.

Fig.6 Schematic illustration of AuNPs@P1(A)[66]and Ppa?PLGVRG?Van(B)[68]based PAI contrast agentfor bacterial infection imaging

1.6 光聲成像

光聲成像（PAI）是綜合了光學(xué)成像高對(duì)比度和超聲成像高穿透深度的無(wú)損成像技術(shù)，可以提供高對(duì)比度和高分辨率的組織影像，為研究生物組織的結(jié)構(gòu)形態(tài)、生理特征、代謝功能及病理特征等提供重要支持，在生物醫(yī)學(xué)臨床診斷及活體組織結(jié)構(gòu)和功能成像領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.PAI通常利用機(jī)體內(nèi)源性光吸收物質(zhì)（如血紅蛋白、肌紅蛋白、脂類、黑色素、水及膽紅素等）呈現(xiàn)組織的結(jié)構(gòu)和功能信息，但這種成像模式面臨組織背景噪聲大、激發(fā)源衰減和組織穿透力差及不能直接用于體內(nèi)細(xì)菌感染成像等問題.因此需要開發(fā)有效的PAI造影劑，擴(kuò)大PAI在體內(nèi)細(xì)菌感染成像研究中的應(yīng)用.Galanzha等［65］利用金黃色葡萄球菌特異性抗體修飾的金納米棒實(shí)現(xiàn)了小鼠活體血液中細(xì)菌感染的光聲成像和光熱殺菌.Lu等［66］開發(fā)了一種基于功能肽修飾金納米顆粒（AuNPs@P1）的光聲造影劑，用于顯著增強(qiáng)體內(nèi)細(xì)菌感染光聲成像［圖6（A）］.納米材料的自聚集體可能會(huì)在體內(nèi)與生物分子相互作用，從而極大地影響它們自身的性質(zhì)和生物學(xué)功能［67］，因此可設(shè)計(jì)在體內(nèi)細(xì)菌感染微環(huán)境中自組裝的分子探針來(lái)提高成像效果.Li等［68］設(shè)計(jì)了一種多肽兩端分別偶聯(lián)萬(wàn)古霉素和PAI信號(hào)分子pyropheophorbideα（Ppa）的分子探針（Ppa-PLGVRG-Van）用于體內(nèi)細(xì)菌感染微環(huán)境中明膠酶響應(yīng)成像，并區(qū)分了細(xì)菌感染和無(wú)菌炎癥［圖6（B）］.

2 多模態(tài)成像

每種成像技術(shù)都有各自的特點(diǎn)，如CT成像空間分辨率高但軟組織對(duì)比度低，PET成像靈敏度高但空間分辨率低，MRI成像具有良好的軟組織分辨能力但靈敏度有限，熒光成像靈敏度高但組織穿透力差等（表1）.應(yīng)用單一的成像技術(shù)進(jìn)行疾病診斷存在誤判的可能.為了克服單模態(tài)成像的不足，發(fā)展多模態(tài)成像技術(shù)已經(jīng)成為疾病診斷分子影像發(fā)展的重要趨勢(shì).多模態(tài)分子成像是將具有多種成像功能的分子探針注入機(jī)體，通過(guò)成像設(shè)備獲取病變部位多種信息的分子影像技術(shù)［69］，其融合了不同成像技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，可以提供更加全面和精確的成像信息.

Table 1 Performance comparison of common bacterial imaging technology

Fig.7 Schematic illustration of the application of 99mTc?UBI29-41?Cy5(A)[5]and MBP?Ce6 NSs(B)[74]for multimodal imaging of bacterial infections

近年來(lái)，許多研究嘗試將多模態(tài)（PET/CT，PET/MRI，MRI/FL等）技術(shù)用于腫瘤的精準(zhǔn)成像［70］.例如，F(xiàn)an等［71］設(shè)計(jì)了光敏劑和MnO2共負(fù)載的Fe3O4納米探針用于小鼠腫瘤MRI/FL雙模態(tài)成像，Lin等［72］設(shè)計(jì)了GSH響應(yīng)納米囊泡裝封AuNPs、Mn2+和近紅外熒光染料IR1061的多功能納米探針用于小鼠肝腫瘤MRI/PAI/FL三模態(tài)成像.多模態(tài)成像技術(shù)在腫瘤診斷研究領(lǐng)域的應(yīng)用為體內(nèi)細(xì)菌感染的多模態(tài)成像方法的發(fā)展提供了參考.Bernthal等［73］結(jié)合FL和CT成像實(shí)現(xiàn)了在解剖結(jié)構(gòu)下對(duì)小鼠骨感染變化的監(jiān)測(cè).Welling等［5］設(shè)計(jì)了放射性核素99mTc和熒光染料Cy5共同標(biāo)記的抗菌肽（99mTc-UBI29-41-Cy5），通過(guò)SPECT/FL雙模態(tài)成像追蹤小鼠大腿肌肉金黃色葡萄球菌感染［圖7（A）］.Xiu等［74］設(shè)計(jì)了牛血清白蛋白（BSA）、聚乙二醇（PEG）和光敏劑Ce6共負(fù)載的MnO2納米片功能探針（MBP-Ce6 NSs）用于小鼠細(xì)菌生物膜感染的原位MRI/FL雙模態(tài)成像［圖7（B）］.該探針到達(dá)細(xì)菌生物膜感染的組織后，在酸性生物膜微環(huán)境中分解并釋放Ce6和Mn2+，激活熒光和磁共振信號(hào).

3 總結(jié)與展望

分子影像技術(shù)的發(fā)展使得目前臨床基于晚期局部組織變質(zhì)、滲出和增生等生理學(xué)變化進(jìn)行細(xì)菌感染診斷的模式向細(xì)菌感染早期診斷模式轉(zhuǎn)變，在一定程度上推動(dòng)了細(xì)菌感染臨床診斷的進(jìn)步.然而關(guān)于體內(nèi)細(xì)菌檢測(cè)尚有許多問題仍待解決：（1）細(xì)菌感染的超早期檢測(cè)；（2）細(xì)菌感染的定量分析；（3）細(xì)菌感染和非細(xì)菌炎癥的準(zhǔn)確區(qū)分；（4）哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌的檢測(cè)；（5）腫瘤微環(huán)境中細(xì)菌的有效監(jiān)測(cè).越來(lái)越多的研究表明，常見的細(xì)胞外致病菌（如金黃色葡萄球菌）可在免疫細(xì)胞中存活，躲避抗生素的殺傷，并導(dǎo)致感染復(fù)發(fā)或免疫系統(tǒng)受損［75~78］；同時(shí)最新研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞（如乳腺癌、肺癌和胰腺癌細(xì)胞等）內(nèi)也有細(xì)菌存在，并且可能是腫瘤異質(zhì)性的重要成因之一［79］.2017年在《Science》和《Cell》上分別發(fā)表了關(guān)于腫瘤微環(huán)境中的細(xì)菌可通過(guò)降解抗腫瘤藥物或誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞啟動(dòng)自噬形成腫瘤耐藥的研究［80，81］，因此開展腫瘤微環(huán)境中細(xì)菌的原位檢測(cè)對(duì)于指導(dǎo)細(xì)菌感染和腫瘤治療合理給藥具有重要意義.

多模態(tài)成像由于同時(shí)具備不同成像方法的優(yōu)點(diǎn)，是提高成像診斷準(zhǔn)確度和靈敏度的有效手段之一，有望實(shí)現(xiàn)體內(nèi)細(xì)菌感染的有效診斷.目前基于多模態(tài)策略的細(xì)菌感染成像主要集中于采用FL與CT，SPECT和MRI成像模式進(jìn)行聯(lián)合分析，未來(lái)可以發(fā)展FL-US雙模態(tài)成像用于細(xì)菌感染的方便、無(wú)損成像；或發(fā)展FL-CT-PET三模態(tài)成像，利用FL高靈敏度、CT成像高空間分辨率和PET成像可定量分析的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)細(xì)菌感染早期定位和定量檢測(cè)；或發(fā)展1H/19F雙模態(tài)MRI成像，利用1H-MRI高空間分辨率和19F-MRI高信噪比的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)細(xì)菌感染病灶的精準(zhǔn)定位.實(shí)現(xiàn)細(xì)菌感染超早期檢測(cè)的另一有效手段是采用信號(hào)放大策略來(lái)提高檢測(cè)靈敏度，譬如基于體內(nèi)細(xì)菌感染誘導(dǎo)的信號(hào)探針原位自組裝實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大.區(qū)分細(xì)菌感染和非細(xì)菌炎癥是臨床診斷所面臨的問題之一，對(duì)于指導(dǎo)用藥至關(guān)重要.通過(guò)篩選高特異性細(xì)菌親和配體來(lái)設(shè)計(jì)靶向細(xì)菌探針，以提高探針選擇性是區(qū)分細(xì)菌感染和非細(xì)菌炎癥的有效手段之一.目前已有研究報(bào)道基于生物正交反應(yīng)原位標(biāo)記［78］、熒光共振能轉(zhuǎn)移［82］和多肽組裝增強(qiáng)光聲信號(hào)［83］等策略實(shí)現(xiàn)了巨噬細(xì)胞內(nèi)的細(xì)菌檢測(cè)，但對(duì)于細(xì)胞內(nèi)或腫瘤微環(huán)境中的細(xì)菌感染檢測(cè)仍面臨如下挑戰(zhàn)：檢測(cè)探針如何屏除細(xì)胞外細(xì)菌的干擾并有效進(jìn)入細(xì)胞和腫瘤內(nèi)部.未來(lái)利用宿主細(xì)胞、腫瘤組織與細(xì)菌感染微環(huán)境的差異化響應(yīng)性特點(diǎn)設(shè)計(jì)特異性響應(yīng)或級(jí)聯(lián)響應(yīng)的分子成像探針是實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)或腫瘤微環(huán)境中細(xì)菌感染成像的有效手段之一.