趙調(diào)紅 逯濤峰 陳圓圓 路如霞 趙源旭 劉會玲

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅蘭州 730000；2.甘肅省人民醫(yī)院婦科，甘肅蘭州 730000

近年來，腫瘤治療雖然取得不錯的進(jìn)展，患者預(yù)后得以改善，但對一些復(fù)雜類型的腫瘤，其治療效果并不理想，且無法治愈。因此對腫瘤治療而言，分子成像技術(shù)指導(dǎo)的靶向治療是當(dāng)前最重要的療法。分子成像技術(shù)作為一種非侵入性方式以評估小動物活體狀態(tài)下的病理生理過程，可在活體狀態(tài)下對生物體內(nèi)的細(xì)胞和亞細(xì)胞進(jìn)行可視化和量化分析。此外，針對特定分子靶標(biāo)的新型藥物開發(fā)已成為前沿，分子成像技術(shù)旨在增加對癌細(xì)胞的選擇性毒性，降低治療耐藥性的可能，并降低與化療相關(guān)的不良反應(yīng)，促進(jìn)新型抗癌藥物的治療活性和抗腫瘤功效的研究?；谝陨咸攸c(diǎn)，分子成像可從分子水平上更早地診斷腫瘤及監(jiān)測其發(fā)生、發(fā)展進(jìn)程等，為腫瘤的診治提供新線索和思路。

1 成像方式及特點(diǎn)

1999 年，美國哈佛大學(xué)教授Weissleder提出分子影像學(xué)（molecular imaging）的概念。在腫瘤研究中，人們普遍認(rèn)為分子影像學(xué)是精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)，它可提供獨(dú)特的信息指導(dǎo)精準(zhǔn)腫瘤學(xué)，包括測量治療靶點(diǎn)的區(qū)域表達(dá)、藥代動力學(xué)、藥效學(xué)及確定治療目標(biāo)和選擇可能受益于治療的患者等。應(yīng)用特異性分子探針以追蹤靶標(biāo)并成像，可廣義地定義為在細(xì)胞和分子水平上對生物過程進(jìn)行體內(nèi)表征和測量。與傳統(tǒng)診斷成像不同的是，分子影像學(xué)主要探討疾病基礎(chǔ)的分子異常。目前，分子成像技術(shù)主要包括放射性核素成像、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、超聲成像、生物發(fā)光成像（bioluminescence imaging，BLI）和近紅外熒光（near–infrared fluorescence，NIRF）成像等。不同成像方式比較見表1。

表1 不同成像方式比較

2 放射性核素成像

放射性核素成像是根據(jù)放射性元素示蹤原理，利用放射性元素標(biāo)記研究對象，研究其在體內(nèi)代謝分布的特殊規(guī)律，并從體外獲取臟器或組織功能、結(jié)構(gòu)的核醫(yī)學(xué)技術(shù)，它主要包括正電子發(fā)射斷層顯像（positron emission tomography，PET）、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描（single photon emission computed tomography，SPECT）兩種方式。

2.1 PET

PET 測量的是生化功能而不是結(jié)構(gòu)，從本質(zhì)上來講，它用γ 放射性同位素標(biāo)記氟代脫氧葡萄糖（2–F fluoro–2–deoxy–D–glucose，F(xiàn)DG），并將制備的分子探針注入體內(nèi)，監(jiān)測其攝取和代謝情況，其機(jī)制是腫瘤細(xì)胞比正常組織具有更高的FDG 攝取能力和代謝，最常見的探針是F–FDG，其攝取表明FDG 代謝的高低，因此與惡性腫瘤相關(guān)的糖酵解增強(qiáng)，能夠區(qū)分惡性組織和良性組織。

目前已有研究利用PET 探討癌癥的治療方法。Liu 等利用F–FES PET/CT 對新診斷出的雌激素受體陽性乳腺癌患者的分期進(jìn)行研究，對診斷不明確的分期病變指導(dǎo)臨床診療；另外，Diaz 等用PET評估人表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR）酪氨酸激酶抑制劑拉帕替尼對非小細(xì)胞肺癌裸鼠腫瘤活性的影響。Smarma 等用Cu對抗CA125 MAb 和scFv 進(jìn)行放射性標(biāo)記，用于卵巢癌CA125 的靶向體內(nèi)分子成像。PET 在評估腫瘤分期、治療效果等方面有一定的價(jià)值，但在活體成像方面，由于設(shè)備昂貴，多數(shù)研究者使用較少。

2.2 SPE/CT

SPE/CT 成像可獲得微量示蹤分子的圖像，其成像特點(diǎn)是標(biāo)記生物分子的放射性同位素能發(fā)出一種或多種帶有能量的γ 射線，同時(shí)監(jiān)測多個(gè)探針，被不同放射性同位素標(biāo)記的生物分子可在同一個(gè)活體動物中被區(qū)分；相反，SPE/CT 的靈敏度比PET 低10～100倍，成本低于PET，這使其在臨床實(shí)踐中更容易使用。

在腫瘤轉(zhuǎn)移靶向治療中，Tc 標(biāo)記的成纖維細(xì)胞活化蛋白（fibroblast activation protein，F(xiàn)AP）抑制劑（Tc–FAPI–19）顯示出與重組FAP 表達(dá)細(xì)胞的特異性結(jié)合，通過SPE/CT 成像可實(shí)現(xiàn)腫瘤放射性靶向治療。在腫瘤的藥物研究中，Tc 標(biāo)記的納米粒子，用于SPE/CT–MRI 雙模態(tài)成像，這些納米探針可為腫瘤治療提供抗癌藥物，實(shí)現(xiàn)將雙模態(tài)成像與抗癌治療特性相結(jié)合的納米治療醫(yī)學(xué)。在乳腺癌骨轉(zhuǎn)移成像中，SPE/CT 識別骨骼受累和相關(guān)并發(fā)癥，對治療反應(yīng)評估顯示出巨大優(yōu)勢，在檢測溶解性和硬化性病變及區(qū)分良性和惡性骨骼方面具有很高的靈敏性。

3 MRI

MRI 是一種非侵入性技術(shù)，它具有多方位、多參數(shù)、無電/離輻射、軟組織分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。在動態(tài)對比增強(qiáng) MRI（dynamic contrast–enhanced magnetic resonance imaging，DCE–MRI）中，靜脈注射造影劑（contrast agent，CA），并在幾分鐘內(nèi)記錄多幅圖像以研究器官或腫瘤中CA 的攝取，能夠定量研究腫瘤微血管和微循環(huán)的結(jié)構(gòu)和功能，為改善腫瘤診斷、個(gè)體化治療提供廣闊前景。

近年來，DCE–MRI 已被用于評估腫瘤血管生成，且具有助力研究抗血管生成和血管破壞療法的潛力；此外，DCE–MRI 可通過Tofts 藥代動力學(xué)模型分析局部晚期宮頸癌生物標(biāo)志物，從乳腺DCE–MRI 腫瘤內(nèi)亞區(qū)域提取的紋理特征可作為乳腺良惡性腫瘤鑒別診斷的影像標(biāo)志物。

4 超聲成像

超聲成像借助由脈沖換能器生成并由信號處理軟件集成的＞20000Hz 的聲波來生成灰度圖像。Foster等報(bào)道第1 個(gè)專門用于小鼠顯微成像的高頻超聲成像系統(tǒng)（high–frequency ultrasound，HF–US），并指出它具有成本低、成像速度快、便攜和高分辨率且無電離輻射的優(yōu)點(diǎn)；除了解剖成像，超聲成像還適用于多普勒超聲或超聲造影劑進(jìn)行功能成像，允許對腫瘤血流灌注及腫瘤血管生成進(jìn)行定性和定量評估。

4.1 HF–US 解剖成像

在臨床前腫瘤成像方面，超聲成像顯示出高分辨率和低成本優(yōu)勢。HF–US 用于早期蕈樣肉芽腫與炎癥性皮膚病鑒別診斷，具有潛在的臨床價(jià)值；在結(jié)腸癌荷瘤鼠模型中，超聲成像夠重復(fù)且準(zhǔn)確地測量小鼠結(jié)腸壁的厚度，了解其解剖結(jié)構(gòu)，并確定其病變范圍；為研究腹主動脈瘤的形成和發(fā)展機(jī)制，HF–US 可用于獲取小鼠的腹主動脈瘤二維圖像。由此可見，HF–US 并非在所有的解剖成像中均是適用的，但超聲不能透過骨骼，因此超聲成像不適合用于分析腦和骨腫瘤。

4.2 HF–US 功能成像

HF–US 功能成像主要通過多普勒超聲或添加超聲造影劑或微泡，測量腫瘤血管和血管體積，以提供與血管生成相關(guān)的臨床信息。近年來，腫瘤抗血管生成療法的發(fā)展及對抗腫瘤藥物藥效學(xué)監(jiān)測檢查方式的需求，HF–US 在功能成像中的作用愈發(fā)重要。多普勒超聲主要通過多普勒頻譜檢測血流，使用3D能量多普勒超聲（3D power doppler ultrasound，3D PD–US）監(jiān)測妊娠中期的整個(gè)胎盤灌注，對所有測量的參數(shù)、實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性均可行，證明此項(xiàng)技術(shù)的可行性。3D PD–US 還可用于評估前列腺癌轉(zhuǎn)基因小鼠（genetically engineered mouse，GEM）模型中的功能性新血管生成及監(jiān)測抗血管生成治療效果。然而，PD–US 在以上成像中存在一些局限，如偽影的形成使得檢測流動速度較慢的血流成為困難，這在評估腫瘤血流中很重要。

4.3 超聲介導(dǎo)微泡的靶向成像

另外，在腫瘤藥理學(xué)研究中，微泡首先被開發(fā)作為超聲成像的造影劑，用作藥物的輸送載體，通過超聲波以一定的輻射能量破壞載藥微泡，從而使按需釋放的藥物能夠遞送到目標(biāo)組織中；研究發(fā)現(xiàn)，超聲介導(dǎo)下多柔比星納米微泡可抑制乳腺癌移植瘤生長并延長小鼠生存期，且對小鼠重要器官的損傷較小，實(shí)現(xiàn)藥物靶向遞送；Nesbitt 等將生物素功能化的吉西他濱與攜氧微泡聯(lián)合作為胰腺癌靶向治療，可顯著降低胰腺癌細(xì)胞的活力，并降低化療相關(guān)的不良反應(yīng)；白蛋白紫杉醇跨越血腦屏障通過超聲介導(dǎo)的微泡遞送，用該方法可顯著提高紫杉醇的腦濃度，是治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤可行且有效的方法。綜上表明，超聲聯(lián)合微泡介導(dǎo)的抗腫瘤藥物在癌癥治療中擁有廣闊的應(yīng)用前景。

5 BLI

生物發(fā)光成像技術(shù)（bioluminescence imaging，BLI）是一種監(jiān)測體內(nèi)細(xì)胞繁殖和遷徙的高度靈敏技術(shù)，該技術(shù)依賴活體細(xì)胞或組織發(fā)出的光子，其代表性成像模式是熒光素酶報(bào)告系統(tǒng)，將熒光素酶報(bào)告基因插入到腫瘤特異性表達(dá)的目的基因啟動子上，根據(jù)熒光素酶的表達(dá)情況追蹤某一細(xì)胞或蛋白的轉(zhuǎn)錄活性，另外一種方法是將熒光素酶的cDNA克隆于靶基因位點(diǎn)上來監(jiān)測基因表達(dá)。BLI 的研究與應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：

5.1 藥理學(xué)研究成像

由于腫瘤分子靶向治療的發(fā)展，BLI 為抗腫瘤藥物的毒副作用和藥理學(xué)提供了研究基礎(chǔ)；藥理學(xué)研究最終結(jié)果是毒副作用小并在體內(nèi)有良好的分布，螢火蟲螢光素酶和螢光素的組合已成功應(yīng)用于全身成像，I 標(biāo)記D–螢光素，證明螢光素酶的底物特性，并研究其細(xì)胞攝取動力學(xué)和體內(nèi)生物分布，在骨、心臟和骨骼肌組織中的分布相對較少（＜3%），而其在腦中的分布＜0.5%，但I(xiàn) 可能影響螢光素的整個(gè)生物分布；此外，使用Caspase–3 激活螢光素酶報(bào)告基因來證明5–氟尿嘧啶與腫瘤壞死因子α 相關(guān)的凋亡誘導(dǎo)配體聯(lián)合治療可增強(qiáng)體內(nèi)細(xì)胞凋亡活性，顯示更強(qiáng)的抗腫瘤作用；目前，BLI 已被廣泛用于監(jiān)測腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移、細(xì)菌或病毒的感染進(jìn)展、移植、轉(zhuǎn)基因表達(dá)和基因治療，并解決組織分析和廣泛的藥代動力學(xué)等問題。

5.2 腫瘤缺氧和抗血管生成的成像

已有研究表明，腫瘤缺氧與較差的臨床預(yù)后和腫瘤進(jìn)展有關(guān)，低氧誘導(dǎo)的主要轉(zhuǎn)錄因子之一是缺氧誘導(dǎo)因子1，它與缺氧反應(yīng)元件（hypoxia response element，HRE）結(jié)合可以上調(diào)多種基因的表達(dá)。Lehmann 等設(shè)計(jì)了HRE 驅(qū)動的熒光素酶報(bào)告基因，通過體外穩(wěn)定表達(dá)后建立腫瘤模型，用于縱向體內(nèi)成像；其次，缺氧還刺激血管內(nèi)皮生長因子的分泌并促進(jìn)血管生成，增加腫瘤細(xì)胞的供氧。Sanz 等將人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（human umbilical vein endothelial cell，HUVEC）和人間充質(zhì)干細(xì)胞（human mesenchymal stem cells，HMSC）植入免疫缺陷小鼠體內(nèi)，并監(jiān)測螢火蟲熒光素酶發(fā)光強(qiáng)度量化血管生成，結(jié)果表明，HSMC 和HUVEC 均顯示穩(wěn)定的發(fā)光信號，然而，在使用血管內(nèi)皮生長因子受體（vascular endothelial growth factor receptor，VEGFR）酪氨酸激酶抑制劑2周后，使用PET 觀察到其信號顯著下降。事實(shí)證明，BLI 在評估藥物抗血管生成治療中有重要作用。

5.3 活體細(xì)胞可視化成像

遺傳或基因突變引起的細(xì)胞持續(xù)增殖會導(dǎo)致癌癥的發(fā)生，BLI 提供了一種實(shí)時(shí)、動態(tài)監(jiān)測技術(shù)。已有研究表明，通過調(diào)控細(xì)胞周期、凋亡相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子（E2 Ftranscription factor 1，E2F1）并構(gòu)建E2F1啟動子控制下表達(dá)熒光素酶基因的轉(zhuǎn)基因小鼠，將其與人神經(jīng)膠質(zhì)瘤轉(zhuǎn)基因小鼠雜交建立少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤模型，使用BLI 監(jiān)測腫瘤細(xì)胞的增殖活性；另外，Conway 等研究表明，當(dāng)擴(kuò)充細(xì)菌熒光素酶的作用以（20～30）:1 的比例過表達(dá)時(shí)，能夠在多功能干細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)連續(xù)或可誘導(dǎo)的生物發(fā)光，為干細(xì)胞的研究提供一種新工具。其次，BLI 在T 細(xì)胞研究中應(yīng)用也有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，表達(dá)熒光素酶的T 細(xì)胞在評估其功能和監(jiān)測抗腫瘤效果中發(fā)揮重要作用。

5.4 腫瘤相關(guān)炎癥成像

研究表明，腫瘤相關(guān)炎癥與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展相關(guān)，炎癥介質(zhì)會破壞機(jī)體免疫系統(tǒng)，改變腫瘤微環(huán)境及相關(guān)信號通路，從而促進(jìn)腫瘤進(jìn)展。2015年，Hayashi 等使用細(xì)菌人工染色體（Bacterial artificial chromosome，BAC）克隆生成一個(gè)高度敏感的炎癥監(jiān)測小鼠系統(tǒng)，其中包含人類白細(xì)胞介素–6（Interleukin–6，rhIL–6）基因，并整合入螢光素酶報(bào)告基因中，進(jìn)行體內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測多種不同疾病模型中的炎癥狀態(tài)；同時(shí)為區(qū)分腫瘤與炎性疾病，2021年的一項(xiàng)研究選擇40 例疑似脊髓腫瘤病變不明確的患者，通過彌散張量成像技術(shù)在中央病變區(qū)域、病變邊緣、水腫和正常脊髓區(qū)域評估DTI 指標(biāo)各向異性指數(shù)（fractional anisotropy，F(xiàn)A）和表觀彌散系數(shù)（apparent dispersion coefficient，ADC）比值（FA/ADC），F(xiàn)A 和ADC 可以分離炎性病變，避免對髓內(nèi)腫瘤病變不明確的患者進(jìn)行不必要的手術(shù)。目前關(guān)于腫瘤相關(guān)炎癥可視化成像的研究尚少，通過BLI 可視化追蹤腫瘤細(xì)胞激活與轉(zhuǎn)化、炎癥和腫瘤發(fā)生的相關(guān)性仍是未來研究的重點(diǎn)。

6 NIRF成像

腫瘤靶向治療和近紅外熒光（infrared fluorescence，NIRF）成像的多功能藥物預(yù)計(jì)將對未來的個(gè)體化腫瘤治療產(chǎn)生重大影響，它很大程度上依賴穩(wěn)定且高度特異性的熒光蛋白來修飾目標(biāo)細(xì)胞或其他生物分子，NIRF 成像有較低的自發(fā)熒光、深組織穿透力及具有同時(shí)監(jiān)測同一細(xì)胞或腫瘤模型的多個(gè)研究目標(biāo)的優(yōu)勢。NIRF 成像的研究與應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：

6.1 腫瘤免疫治療成像

抗體是由B 細(xì)胞產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，它可與抗原特異性結(jié)合激活體內(nèi)的免疫系統(tǒng)來抵抗病原體的侵入。單克隆抗體治療腫瘤的方法逐漸被應(yīng)用于臨床，近紅外熒光基團(tuán)標(biāo)記的治療性抗體在細(xì)胞、組織或器官水平的分布對了解其生物學(xué)特性極其重要。Cho 等將靶向CD38 的高親和力單克隆抗體（daratumumab，DARA）與美登素衍生物（mertansine，DM1）綴合形成抗體–藥物偶聯(lián)物（antibody–drug conjugate，ADC），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DM1 不僅增強(qiáng)DARA的抗腫瘤效果，而且可加強(qiáng)腫瘤對ADC 的攝取能力及靶向腫瘤的能力，使得CD38 有望成為下一個(gè)腫瘤治療靶點(diǎn)。Conner 等將NIRF 成像與傳統(tǒng)放射性標(biāo)記方法相比，使用美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)的IR800 標(biāo)記單克隆抗體，監(jiān)測其組織和血漿藥代動力學(xué)，發(fā)現(xiàn)近紅外熒光基團(tuán)標(biāo)記后的綴合物可顯著改變單克隆抗體的血漿藥代動力學(xué)和組織分布。其次，已經(jīng)開發(fā)的小分子NIRF 熒光基團(tuán)可標(biāo)記一些免疫細(xì)胞，包括T 細(xì)胞、B 細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等，然后靶向癌細(xì)胞并最終在癌癥免疫治療中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

6.2 淋巴結(jié)成像

在手術(shù)過程中，NIRF 成像用于前哨淋巴結(jié)（sentinel lymph node，SLN）有助于指導(dǎo)腫瘤的切除范圍，為腫瘤患者指導(dǎo)下一步的輔助治療方案提供有關(guān)信息。為評估子宮內(nèi)膜癌盆腔淋巴結(jié)受累情況，有研究指出吲哚菁綠作為示蹤劑對SLN 成像，可增加SLN 的檢出率。此外，用螢火蟲熒光素酶改造后的Hela 細(xì)胞建立宮頸癌SLN 轉(zhuǎn)移模型，發(fā)現(xiàn)負(fù)載ICG 的TMTP1–PEG–PLGA 膠束（ICG–loaded TMTP1–PEG–PLGA micelles，ITM）在腫瘤轉(zhuǎn)移性SLN 中特異性積累，可成功將其與正常SLN 區(qū)分，為宮頸癌提供實(shí)時(shí)術(shù)中指導(dǎo)。

6.3 關(guān)節(jié)炎成像

NIRF 成像在監(jiān)測風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的治療反應(yīng)和藥物劑量、評估臨床結(jié)果、開發(fā)特效藥方面有重要作用。Wunder 等使用蛋白酶激活的NIRF 成像“智能”探針，在甲氨蝶呤（methotrexate，MTX）治療后通過熒光成像和組織學(xué)檢查小鼠關(guān)節(jié)炎中熒光的分布和積累，以此來監(jiān)測MTX 等抗風(fēng)濕藥對關(guān)節(jié)炎的治療效果。另外一項(xiàng)研究表明，蛋白酶激活的NIRF 通過量化患病關(guān)節(jié)中的核因子–κB（nuclear factor–k–gene–binding，NF–κB）活性來評估關(guān)節(jié)中活性蛋白酶的數(shù)量，從而評估IKK–2 抑制劑（ML120B）對關(guān)節(jié)炎的治療效果。

6.4 動脈粥樣硬化成像

泡沫巨噬細(xì)胞在動脈粥樣硬化斑塊的聚集可加快疾病的發(fā)生和演變，精確的斑塊成像可促進(jìn)血管病變的預(yù)防和治療，目前斑塊MRI 由于灌注不足和動脈周圍淋巴結(jié)的干擾，使斑塊成像受到一定的限制。因此，設(shè)計(jì)一種負(fù)載NIRF 染料（IR820）的新型磁性介孔二氧化硅納米顆粒，可特異性地靶向動脈粥樣硬化斑塊中的巨噬細(xì)胞，為將來識別巨噬細(xì)胞斑塊的造影劑奠定基礎(chǔ)。其次，一些蛋白酶（如組織蛋白酶、基質(zhì)金屬蛋白酶等）在動脈粥樣硬化病變中高表達(dá)，Cy5.5 熒光染料與基質(zhì)金屬蛋白酶的特定底物連接，形成由酶激活的智能探針，然后，該探針用于監(jiān)測動物模型中動脈粥樣硬化斑塊中基質(zhì)金屬蛋白酶的活性。

7 展望

分子成像技術(shù)是目前用于評估臨床前癌癥藥理學(xué)研究中的藥物療效和安全性的重要方法，與傳統(tǒng)成像方式相比，其具有無創(chuàng)、無輻射、性價(jià)比高、分辨率高、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，在生物科學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景；隨著該技術(shù)的發(fā)展，人們在分子、細(xì)胞、組織和個(gè)體水平上對腫瘤的發(fā)生、發(fā)展有了更深入的認(rèn)識，且在監(jiān)測或預(yù)測治療反應(yīng)的能力方面取得重大進(jìn)展。目前，最有希望的是通過分子成像技術(shù)與其他成像方法組合，發(fā)揮多模態(tài)、多功能成像的優(yōu)勢；其次，將分子成像技術(shù)與納米技術(shù)相結(jié)合，克服常規(guī)有機(jī)染料的親水性和光穩(wěn)定性差、量子產(chǎn)率低、在生物系統(tǒng)中穩(wěn)定性不足、檢測靈敏度低等一些局限性，對腫瘤治療反應(yīng)進(jìn)行評估，以更深入、更好地將治療方法轉(zhuǎn)化為臨床。