柳梅，冷德文，范學(xué)朋

武漢市第一醫(yī)院重癥監(jiān)護(hù)室，湖北武漢 430022； *通訊作者 范學(xué)朋 66799073@qq.com

分子影像學(xué)是運(yùn)用影像學(xué)方法顯示組織水平、細(xì)胞水平和亞細(xì)胞水平的特定分子，反映活體狀態(tài)下分子水平的變化，對(duì)其生物學(xué)行為在影像方面進(jìn)行定性和定量研究。分子影像是一個(gè)新興的跨學(xué)科領(lǐng)域，融合了分子生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、放射醫(yī)學(xué)、核醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科，其主要成像方法包括5類[1]：①光學(xué)成像：包括生物發(fā)光成像、熒光成像（fluorescence imaging，F(xiàn)I）、光聲成像（photoacoustic imaging，PAI）和光學(xué)層析成像；②放射性核素成像：包括單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層成像（SPECT）和正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像（PET）；③CT；④MRI；⑤超聲（US）。單一的顯像方法往往存在局限性，難以同時(shí)滿足對(duì)靈敏度、特異性、靶向性等的要求。多模態(tài)分子影像中的分子探針能同時(shí)進(jìn)行多種方式的顯像，克服了單一顯像方式的不足，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，拓寬了分子影像技術(shù)的應(yīng)用范圍。多模態(tài)分子顯像分為直接顯像和間接顯像，均需構(gòu)建相應(yīng)的分子探針。直接顯像指標(biāo)記探針直接與目標(biāo)靶特異性結(jié)合達(dá)到顯像的目的，直接顯像的多模態(tài)探針需要針對(duì)一個(gè)目標(biāo)靶向蛋白連接不同的顯像功能基團(tuán)，此方法需要對(duì)每一個(gè)靶構(gòu)建相應(yīng)的探針，且受到偶聯(lián)位點(diǎn)數(shù)目的限制。間接顯像指通過(guò)報(bào)告探針對(duì)報(bào)告基因表達(dá)產(chǎn)物進(jìn)行特異性的捕獲而顯像。本文擬對(duì)多模態(tài)分子影像的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 多模態(tài)分子探針的構(gòu)建

1.1 PET/光學(xué)成像雙模態(tài)探針 常用的PET/光學(xué)成像探針有基于64Cu-量子點(diǎn)、基于86Y-近紅外或111In-近紅外的雙模態(tài)探針等。基于64Cu-量子點(diǎn)具有較大的表面積，有利于對(duì)成像功能基團(tuán)進(jìn)行修飾[2]。Hong等[3]利用氧化鋅納米粒子（ZnO NPs）和64Cu，IgG1與CD105（endoglin）的嵌合型單克隆抗體（TRC105）結(jié)合，研制了具有良好的載體PET顯像和腫瘤血管光學(xué)成像功能的探針?；?6Y、111In或64Cu的分子探針較11C和19F的半衰期長(zhǎng)，易螯合，具有一定的成像優(yōu)勢(shì)。

1.2 MRI/光學(xué)成像雙模態(tài)探針 MRI/光學(xué)成像雙模態(tài)探針是比較成熟的技術(shù)，MRI的敏感度高，而光學(xué)成像的靈敏度高，兩者結(jié)合提高了診斷準(zhǔn)確性，隨著納米科技的發(fā)展，越來(lái)越多的材料用于構(gòu)建MRI/光學(xué)探針，如熒光染料、功能性量子點(diǎn)、納米金和稀土材料[4]。Zhang等[5]合成了結(jié)合有半導(dǎo)體聚合物量子點(diǎn)和光敏劑的脂質(zhì)體微粒（Pdots/Ce6@lipid-Gd-DOTA）用于MRI/PAI，且同時(shí)具有光動(dòng)力和光熱的治療作用。上述結(jié)果表明，該探針的細(xì)胞毒性非常低，并能顯著增強(qiáng)MRI和PAI信號(hào)對(duì)比度，同時(shí)提供了腫瘤的解剖信息和形態(tài)信息。

1.3 MRI/CT成像雙模態(tài)探針 MRI/CT探針構(gòu)建方式多樣，Jin等[6]合成了以鑭系為基礎(chǔ)的具有高敏感性、生物相容性好、合成過(guò)程簡(jiǎn)單的多模態(tài)MRI/CT納米探針，即聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）修飾的稀土參雜的NaGdF4納米顆粒（PEGylated Dy-doped NaGdF4）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該探針能顯著增強(qiáng)注射后24 h肝臟、脾臟、腎臟的MRI對(duì)比度，并具有很強(qiáng)的X射線信號(hào)增強(qiáng)效應(yīng)。

1.4 PET/MRI成像雙模態(tài)探針 目前，已有成熟的PET/MRI顯像設(shè)備，相應(yīng)的PET/MRI分子探針也開(kāi)始逐步用于科研和臨床，如基于124I納米材料、64Cu-納米材料和111I-超順磁納米的PET/MRI多模態(tài)分子探針。

1.5 PET/MRI/聲光成像三模態(tài)探針 近年來(lái)，三模態(tài)探針逐漸成為研究熱點(diǎn)，Kim等[7]成功研制了具有增強(qiáng)近紅外熒光信號(hào)的PET/MRI納米硅探針，實(shí)現(xiàn)了活體內(nèi)前哨淋巴結(jié)的監(jiān)測(cè)，利用熒光染料被剛性二氧化硅包裹時(shí)能促進(jìn)輻射躍遷，增加熒光強(qiáng)度和量子產(chǎn)率，將熒光染料NIR797包裹于二氧化硅納米粒子內(nèi)，制成MNP-SiO2（NIR797），再把放射性元素68Ga標(biāo)記于MNP-SiO2（NIR797）表面，獲得了PET/MRI/FI三模態(tài)探針。Qin等[8]的研究實(shí)現(xiàn)了單一報(bào)告基因探針的三模態(tài)成像，與傳統(tǒng)的將不同報(bào)告基因聯(lián)合在一起實(shí)現(xiàn)多模態(tài)顯像不同，其利用帶酪氨酸酶（tyrosinase，TYR）編碼的質(zhì)粒轉(zhuǎn)染人乳腺癌細(xì)胞MCF-7，TYR是黑色素生成的限速酶，黑色素能吸收光實(shí)現(xiàn)光學(xué)成像，將黑色素與18F-FHBG結(jié)合，實(shí)現(xiàn)PET成像，且因黑色素帶有大量的陰離子，與鐵結(jié)合后實(shí)現(xiàn)了MRI，將MCF-7-TYR接種于荷裸鼠前臂，具有較好的載體光聲成像、MRI和PET成像效果，見(jiàn)圖1。

圖1 三模態(tài)報(bào)告基因用于PET、MRI及光聲成像

此外，SPECT/光學(xué)、SPECT/CT/光學(xué)、SPECT/MRI等多模態(tài)分子探針也有報(bào)道，隨著研究的深入，相信會(huì)有更多的構(gòu)建簡(jiǎn)便、成像效果好、毒副作用小的分子探針相繼出現(xiàn)。

2 多模態(tài)分子探針的應(yīng)用

多模態(tài)分子顯像融合幾種不同成像技術(shù)，能記錄從單細(xì)胞到活體分子水平的信息，廣泛用于腫瘤成像、免疫細(xì)胞遷徙、干細(xì)胞治療、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物或反映活體分子水平。

2.1 腫瘤分子成像 腫瘤的發(fā)生常伴隨著細(xì)胞表面受體、信號(hào)通路、代謝的改變，基因的異常突變導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞大量增殖、免疫逃逸、血管新生、凋亡受抑、侵襲轉(zhuǎn)移、微環(huán)境改變等。上述改變均有可能成為多模態(tài)分子影像探測(cè)的靶點(diǎn)[9]。傳統(tǒng)的單一成像模式受分辨率、敏感度、穿透深度等的限制，難以發(fā)現(xiàn)早期的腫瘤，對(duì)腫瘤的定位、定性診斷較困難。多模態(tài)分子影像將同時(shí)具有多種顯像功能的分子探針注入機(jī)體，實(shí)現(xiàn)多種顯像，獲得較全面的病變部位的信息。Xin等[10]用碳酸氫鈉刻蝕介孔硅包裹的實(shí)心硅，形成中空介孔二氧化硅（hollow mesoporous silica nanocapsules，HMSs），在其表面修飾巰基和負(fù)載金納米顆粒作為種子，然后在氯金酸溶液中生長(zhǎng)為納米金星（nanostar，NS）負(fù)載的HMSs，并包裹全氟已基（perflurohexane，PFH）和修飾一端為-SH的PEG，合成了多模態(tài)分子探針HMSs@Au-PFH-PEG NSs。靜脈注射或腫瘤內(nèi)注射該探針可用于腫瘤的US/CT/PA/熱成像。在多模態(tài)分子探針上連接腫瘤特異性基團(tuán)可以進(jìn)一步提高探針的靶向性，An等[11]連接五甲川吲哚菁染料（Cy5）和18F-PET探針，合成了用于熒光顯像和PET顯像的探針，該探針結(jié)合了熒光顯像穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)和PET成像穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)，并具有自由羧基，能連接多種腫瘤特異性的生物分子標(biāo)志物，用于腫瘤的特異性多模態(tài)成像。通過(guò)對(duì)分子探針的修飾，可以延長(zhǎng)探針的血漿半衰期，增加其在腫瘤內(nèi)的聚集濃度，進(jìn)一步提高顯像質(zhì)量。Xu等[12]合成了雙聚乙二醇修飾的納米石墨烯四氧化三鐵復(fù)合物，該P(yáng)ET/MRI/PA三模態(tài)分子探針具有較長(zhǎng)的血漿半衰期（約27.7 h），在腫瘤內(nèi)的聚集度大于11%ID/g。多模態(tài)分子探針不僅可以用于腫瘤的診斷性成像，還可用于腫瘤切除的術(shù)中成像導(dǎo)航。Kircher等[13]合成了MRI/PA/Raman三模態(tài)分子探針，術(shù)前利用MRI行初步腫瘤定位，術(shù)中行PAI檢測(cè)深層腫瘤，并利用Raman顯像確定腫瘤邊緣，實(shí)現(xiàn)腫瘤的精確切除。

2.2 干細(xì)胞監(jiān)測(cè) 干細(xì)胞的監(jiān)測(cè)主要分為干細(xì)胞移植后監(jiān)測(cè)和腫瘤干細(xì)胞的監(jiān)測(cè)。干細(xì)胞具有自我更新和多向分化的潛能，可用于治療多種器官組織的損傷，在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中具有極重要的地位。然而，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)干細(xì)胞移植效果的方法多為有創(chuàng)性，且操作復(fù)雜，分子影像學(xué)的發(fā)展使監(jiān)測(cè)干細(xì)胞移植后的定位、存活、分布、分化等成為可能。而多模態(tài)分子探針的發(fā)展進(jìn)一步彌補(bǔ)了單種監(jiān)測(cè)手段的不足。Pei等[14]研制的新型探針TGF融合了I型單純皰疹病毒胸腺嘧啶核苷激酶（HSV1-tk）、增強(qiáng)綠色熒光蛋白（enhanced fluorescent protein，eGFP）和螢火蟲(chóng)熒光素酶（firefly luciferase，F(xiàn)luc），構(gòu)建攜帶上述報(bào)告基因的腺病毒載體（Ad5-TGF），轉(zhuǎn)染SD大鼠的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，在轉(zhuǎn)染復(fù)數(shù)為100時(shí)達(dá)到最高轉(zhuǎn)染率（70%）。轉(zhuǎn)染細(xì)胞131IFIAU攝取率與腺病毒滴度和轉(zhuǎn)染時(shí)間呈正相關(guān)（R2=0.9598，P＜0.05），并在3 h后到達(dá)平臺(tái)值（5.3%），載體實(shí)驗(yàn)顯示，經(jīng)尾靜脈注射Ad5-TGF后，SD大鼠的腫瘤區(qū)域顯示出良好的熒光信號(hào)、生物光學(xué)信號(hào)和PET成像效果[14]。

腫瘤干細(xì)胞是腫瘤啟動(dòng)、進(jìn)展、防御、再發(fā)、轉(zhuǎn)移中的關(guān)鍵因素，對(duì)腫瘤干細(xì)胞的監(jiān)測(cè)有利于了解疾病的嚴(yán)重程度、治療效果及預(yù)后。CD44是多種腫瘤干細(xì)胞的標(biāo)志物，成為潛在的腫瘤治療靶點(diǎn)。Al Faraj等[15]合成了生物相容性的CD44抗體多模態(tài)單壁碳納米管載體用于監(jiān)測(cè)乳腺癌腫瘤干細(xì)胞，該納米載體能聚集于CD44受體豐富的區(qū)域，同時(shí)實(shí)現(xiàn)MRI、SPECT和近紅外熒光成像。

2.3 心腦血管疾病成像 心腦血管疾病是臨床常見(jiàn)病，發(fā)生率高，心血管急癥往往病情兇險(xiǎn)，預(yù)后評(píng)估及治療監(jiān)測(cè)方法有限。粥樣硬化斑塊尤其是不穩(wěn)定斑塊是引起急性冠狀動(dòng)脈綜合征、腦卒中及其他部位血管栓塞的主要因素。多模態(tài)分子探針已用于鑒定粥樣斑塊性質(zhì)、心肌灌注顯像、存活心肌功能檢測(cè)等。PET心肌灌注顯像已廣泛用于臨床，有助于獲得心肌細(xì)胞的功能學(xué)信息，了解局部灌注情況，但其提供的解剖學(xué)信息不足，不能顯示冠狀動(dòng)脈的狹窄程度，而MRI顯像或CT顯像對(duì)解剖病變有較好的分辨率，兩者結(jié)合能為心血管疾病的診斷及治療提供更詳細(xì)準(zhǔn)確的信息。預(yù)測(cè)粥樣斑塊的穩(wěn)定性是評(píng)估冠心病風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)重要方面，傳統(tǒng)的血管造影并不能鑒別穩(wěn)定斑塊和易損斑塊。斑塊內(nèi)巨噬細(xì)胞的聚集密度和區(qū)域與斑塊的穩(wěn)定性相關(guān)，Jarrett等[16]構(gòu)建64Cu-M-BSA（馬來(lái)酰牛血清白蛋白）對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化模型大鼠和小鼠行PET/MRI雙模態(tài)成像，PET用于顯示巨噬細(xì)胞聚集區(qū)域，而MRI進(jìn)一步以高分辨率顯示了巨噬細(xì)胞的分布，免疫組化結(jié)果表明PET/MRI在動(dòng)脈粥樣硬化方面的診斷潛力較大。Ding等[17]合成了直徑為80 nm的能用于CT成像和光學(xué)成像的雙模態(tài)量子點(diǎn)-碘油乳劑，該雙模態(tài)成像結(jié)合了CT成像的高分辨率和光學(xué)成像的高敏感度。體外微CT和共聚焦顯微鏡細(xì)胞圖像結(jié)果表明，巨噬細(xì)胞能內(nèi)噬大量的該量子點(diǎn)-碘油納米乳劑。體外CT和熒光成像結(jié)果表明該納米乳劑能特異性地結(jié)合模型兔粥樣斑塊內(nèi)的巨噬細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)斑塊的雙模態(tài)顯像。除納米乳劑外，納米金屬也可以用于粥樣斑塊的多模態(tài)顯像，Qin等[18]合成了釓（III）-金納米棒（GdIII-GNRs）來(lái)示蹤巨噬細(xì)胞，該探針同時(shí)具有磁性和近紅外吸收特性，并能被巨噬細(xì)胞內(nèi)噬，增強(qiáng)粥樣斑塊的MR和光聲信號(hào)。多模態(tài)成像不僅可以用于粥樣斑塊成像，也可以用于Takayasu動(dòng)脈炎等其他血管疾病。18F-FDG PET/CT用于診斷Takayasu動(dòng)脈炎時(shí)敏感度達(dá)78%，特異度達(dá)87%，在血沉增快的患者中敏感度更高。此外，PET/MRI也可以用于診斷Takayasu動(dòng)脈炎，并較PET/CT更具優(yōu)勢(shì)[19]。

3 多模態(tài)顯像設(shè)備的發(fā)展

3.1 PET/CT顯像設(shè)備 PET/CT將PET和CT獲得的解剖學(xué)信息進(jìn)行融合。通過(guò)將正電子核素示蹤劑注射入體內(nèi)，PET通過(guò)探測(cè)示蹤劑在人體內(nèi)的分布情況顯示組織或靶器官的生理、病理、生化及代謝情況，其缺陷在于對(duì)圖像的解剖結(jié)構(gòu)顯示不清楚，結(jié)合CT顯像可以對(duì)PET進(jìn)行衰減校正，縮短數(shù)據(jù)采集時(shí)間，提高圖像分辨率，對(duì)病變部位進(jìn)行解剖定位和鑒別[20]。第一臺(tái)PET/CT誕生于1998年，隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展，螺旋CT由最初的單層探測(cè)器發(fā)展為128層，CT掃描時(shí)間也縮短至0.4 s以下，PET探測(cè)儀的精度得到進(jìn)一步提高，目前PET/CT已廣泛用于臨床各領(lǐng)域，如腫瘤疾病的早期診斷和良惡性鑒別、臨床分期、監(jiān)測(cè)治療效果；冠狀動(dòng)脈粥樣硬化的診斷、斑塊性質(zhì)的判斷、冠狀動(dòng)脈血流重建術(shù)的療效、存活心肌的評(píng)估；腦部疾病的定性、定位診斷，腦部腫瘤的分類和分型、腦組織損傷程度的評(píng)估；定位癲癇病灶，顯示腦血流、腦代謝以及腦神經(jīng)受體分布等。

3.2 SPECT/CT顯像設(shè)備 第一臺(tái)SPECT/CT誕生于1999年，隨后GE、Philips、Siemens等多家公司推出了各自的研究設(shè)備，目前已有64排CT探頭和SPECT的融合設(shè)備。SPECT/CT設(shè)備利用CT圖像提供的人體組織密度分布信息進(jìn)行SPECT圖像的衰減校正，一次檢查同時(shí)完成2種影像的掃描，最初的SPECT探測(cè)器多使用碘化鈉晶體，最新的探測(cè)器為半導(dǎo)體碲鋅鎘（cadmium zinc telluride，CZT），能將射線直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，具有高能量分辨率（5%～6%）、高量子探測(cè)效率（60%）、高空間分辨率（2 mm）、高靈敏度（普通SPECT的4倍）和高對(duì)比度。Scheyerer等[21]采用SPECT/CT評(píng)價(jià)骨盆損傷，在單一使用傳統(tǒng)影像技術(shù)不能確診的合并前恥骨支骨折的病例中，SPECT/CT顯示出了良好的聯(lián)合診斷優(yōu)勢(shì)，并可以評(píng)估軟組織損傷。CZT-SPECT/CT用于評(píng)估心肌缺血敏感度和成像質(zhì)量均較高，但重建過(guò)程的運(yùn)算法較繁瑣。Koopman等[22]比較了使用或不使用衰減校正對(duì)心肌缺血成像的影響，結(jié)果顯示，操作者因素會(huì)影響心肌灌注顯像的數(shù)據(jù)結(jié)果，在使用了衰減校正的病例組中更為顯著。總體來(lái)說(shuō)，SPECT/CT已廣泛用于全身性骨顯像、診斷顱底病變、肺通氣灌注顯像、心肌顯像、腫瘤顯像等。

3.3 PET/MRI顯像設(shè)備 PET/MRI同機(jī)融合需要解決很多技術(shù)問(wèn)題，PET探測(cè)器包括閃爍晶體和光電倍增管，光電倍增管不能兼容MR磁場(chǎng)，而新研制的雪崩光電倍增管（avalanche photodiode，APD）和硅光電倍增管（silicon photomultipliers，SIMPS）具有較好的兼容性，APD對(duì)磁場(chǎng)的敏感性低，可以通過(guò)極短的光纖直接與PET的閃爍晶體連接，但APD需要強(qiáng)大的冷卻系統(tǒng)來(lái)維持溫度穩(wěn)定。SIMPS的溫度穩(wěn)定性、能量分辨率和時(shí)間分辨率均優(yōu)于APD[23]。此外，PET/MRI同機(jī)尚需解決雙模態(tài)探針、偽影處理、采集時(shí)間優(yōu)化、安全性評(píng)估[24]等問(wèn)題。目前，GE、Philips、Siemens公司均有研發(fā)成功的PET/MRI設(shè)備，廣泛用于腫瘤的診斷、分期、療效評(píng)估、復(fù)發(fā)檢測(cè)、神經(jīng)退行性病變、癲癇、神經(jīng)細(xì)胞代謝障礙、冠狀動(dòng)脈狹窄、微血管病變、心肌存活顯像，以及關(guān)節(jié)、韌帶、肌腱、軟骨、骨髓成像等。Appenzeller等[25]比較了PET/MRI（體線圈單梯度回波序列MRI）和PET/CT（標(biāo)準(zhǔn)、低劑量、無(wú)對(duì)比增強(qiáng)的CT）的診斷準(zhǔn)確度、損傷灶敏感度、精確度和病灶明晰性，評(píng)估了63例不同部位惡性腫瘤的分期、再分期和隨訪，結(jié)果顯示PET/CT在診斷肺部損傷時(shí)病灶明晰性明顯優(yōu)于PET/MRI（P=0.016），PET/CT對(duì)淋巴結(jié)的病灶明晰性也明顯優(yōu)于PET/MRI（P=0.033），在骨損傷患者中，兩者無(wú)顯著差異。

3.4 SPECT/MRI顯像設(shè)備 與PET相比，SPECT的分辨率和靈敏度較低，成像質(zhì)量較差，且SPECT的示蹤劑和99Tcm、111In等較PET常用的示蹤劑18F、11C、15O的生理性更弱，PET/MRI同機(jī)融合所遇到的技術(shù)難點(diǎn)，SPECT/MRI也同樣會(huì)遇到，但SPECT也具有一定的優(yōu)勢(shì)，SPECT較PET結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，示蹤劑范圍更廣[26]。

綜上所述，隨著分子影像學(xué)的發(fā)展，多模態(tài)分子影像必將對(duì)生物、醫(yī)學(xué)、藥物等多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生更深刻的影響，多模態(tài)分子成像不僅要求有先進(jìn)的成像設(shè)備，更要求發(fā)展新型高效的分子探針?，F(xiàn)有的分子成像技術(shù)在分辨率、探測(cè)限度、可利用度、能量延展度等方面尚有缺陷，構(gòu)建安全、有效、兼具檢測(cè)和治療功能的新型多模態(tài)分子探針是未來(lái)發(fā)展的重要方向。