張蕊娟，范龍飛，周家宇，梁茂林，朱 然

（蘇州大學放射醫(yī)學與防護學院，江蘇 蘇州 215123）

分子影像學是運用影像學來反映活體狀態(tài)下特定分子生物學行為變化的新興跨學科領(lǐng)域，涉及影像學、生命科學、納米科學、材料科學、醫(yī)學等多個學科，用于在分子層面滿足各類成像需要[1]。其主要成像方法包括5類：①光學成像：包括生物發(fā)光成像、熒光成像（FI）、光聲成像（PAI）和光學層析成像；②放射性核素成像：包括單光子發(fā)射型計算機斷層成像（SPECT）和正電子發(fā)射型計算機斷層顯像（PET）；③電子計算機斷層掃描（CT）；④磁共振（MRI）；⑤超聲（USUS）[2]。PAI、熒光分子斷層成像（FMT）、PET和SPECT等技術(shù)提供的功能信息，與CT提供的解剖學參考以及與MRI提供的解剖學和功能信息相結(jié)合，已被廣泛地應用于人類疾病的動物模型[3]。單一的分子成像方式可能不足以獲得所有必要的信息，都存在其優(yōu)缺點，在時間空間分辨率、主體穿透深度、檢測閾值等方面可能存在差異，因而難以在診斷和治療中獲得令人滿意的性能[4]。近些年來，臨床前和潛在臨床研究領(lǐng)域?qū)τ诙嗄B(tài)分子探針的需求都在急劇增加，學者們正著眼于開發(fā)靶向能力更強、同時兼?zhèn)鋬煞N或兩種以上成像能力、對機體毒副作用更小、監(jiān)測效果更為靈敏的多模態(tài)分子探針用于多模態(tài)成像，本篇綜述將介紹多模態(tài)探針的研究現(xiàn)狀與應用前景。

1 多模態(tài)分子探針

多模態(tài)分子探針一般由兩種元件組成。一種是靶向元件，包括肽段、抗體、折疊DNA等；另一種為多模態(tài)信號元件，包括放射性核素、熒光染料、金屬釓、金屬碘，還有較復雜的納米顆粒，如量子點、硫化銀顆粒、脂質(zhì)體等[5]，這類材料的表面具有多個修飾位點，可將多種信號元件加以組合，以便構(gòu)建出多模態(tài)分子探針[6]。

1.1 PET/光學成像雙模態(tài)探針 PET成像可穿透深層組織，但空間分辨率較低，僅有幾毫米[7]，而光學成像可提供相對較高的納米至微米級的空間分辨率，但常伴有淺層組織穿透的問題[8]。結(jié)合兩者成像特點所得的探針，既含有用于PET成像的放射性同位素，又有用于熒光成像的熒光基團，既可以在最初的診斷性PET掃描中提供疾病的特定功能成像，又可以為術(shù)中切除這種病變組織提供高空間分辨率的實時熒光成像[9-11]。不同示蹤劑的生物分布可能存在差異，因而使用PET-熒光多模式探針比使用單獨的PET探針和熒光探針對同一疾病狀態(tài)進行成像更有利[12-13]。此外，Ⅰ期臨床試驗僅需要評估一種而非兩種藥物的安全性也是其優(yōu)點之一[14]?；ㄇ嗨亍⒀蹼s蒽類衍生物和納米粒子常被用于制備成像組件[15]。Nahrendorf等[16]制備的納米粒子基于一種葡聚糖核殼納米粒子[交聯(lián)氧化鐵（CLIO）]，葡聚糖表面首先被胺化，然后與羥基琥珀酰亞胺（hydroxysuccinimide-derivatized fluorochromes）衍生的氟鉻化合物和疊氮化物反應，并將18F標記的聚乙二醇（18F-PEGs）通過點擊反應連接到材料上。此種探針用于BALB/c小鼠的結(jié)腸癌模型成像，靶向于腫瘤相關(guān)的巨噬細胞[17]，顯示出了較好的成像效果。Zhang等[13]通過賴氨酸將靶向基團RM2（一種專門與胃泌素釋放肽受體結(jié)合的非肽類）、螯合基團（DOTA）和近紅外熒光團進行連接，構(gòu)建了一種近紅外成像探針，可用于前列腺癌的顯像。

1.2 MRI-CT成像多模態(tài)探針 CT是一種基于X射線與身體或造影劑相互作用的醫(yī)學成像方式[18]，由于其高空間分辨率和圖像采集的快速便捷而成為應用最廣泛的全身成像技術(shù)之一，常被用于可視化各種解剖結(jié)構(gòu)。但CT的先天敏感性不夠高，在應用時約有一半需要加用造影劑來輔助檢測軟組織的細微變化[19]。盡管MRI與CT常共同應用于同一患者，以提高診斷的準確性或評估治療常規(guī)的療效[20]，但與其他多模態(tài)成像劑相比，用于MRI-CT的多模態(tài)成像劑所得到的關(guān)注仍然較少。由Park等[21]合成的釓螯合物（GdL）包被的金納米顆粒，簡稱為Au@GdL，其中L是二乙烯三胺五乙酸（DTPA）和半胱氨酸的共軛物。通過以GdL取代金納米顆粒表面的檸檬酸鹽（Citrate）而制得的Au@GdL，可用于腫瘤的MRI-CT多模態(tài)成像。其將金核封裝在多層有機殼內(nèi)，殼中夾帶的Gd（Ⅲ）用以增強MRI的對比度，而金核提供了強大的X射線吸收能力。Park等[21]的研究表明，Au@GdL在血液中的循環(huán)時間很長，并可在動物的腫瘤組織中積累，MTT結(jié)果也表明其具有很低的細胞毒性，具備潛在的應用前景。

1.3 CT/光學成像多模態(tài)探針 CT成像提供了FI無法實現(xiàn)的3D解剖結(jié)構(gòu)，而FI提供了CT成像所缺乏的高表面分辨率和靈敏度，兩種成像模式相互補償。盡管如此，雙模態(tài)FI-CT探針仍面臨著如何整合兩種不同靈敏度的成像劑的挑戰(zhàn)。與FI相比，靈敏度較低的CT需要大量的造影劑負載才能有效讀取信號，相對大的需求量進一步增加了毒性和溶解性問題；另一方面，如何保證雙模態(tài)探針的生物相容性和靶向選擇性是設(shè)計探針時所需面臨的另一個問題，通常需要附加一個靶向組以便在所需部位富集CT造影劑[10]。許國強等[22]研制了一種核心共裝載Lipiodol（脂肪醇）和近紅外熒光染料的CT/熒光雙模態(tài)脂質(zhì)納米顆粒。用LTV多肽對二肉豆蔻酰磷脂酰膽堿（DMPC）、磷酸乙醇胺（DMPE）、二硬脂?；字Ｒ掖及罚―SPEPEG2000）、丙基纖維素（MHPC）四種磷脂表面進行修飾后制得的HER2靶向CT/熒光雙模態(tài)納米探針可用于乳腺癌的診斷。Lu等[23]制得的TaOx殼層覆蓋的近紅外發(fā)光納米粒子（ZGGO:Cr,Pr），可作為CT對比劑。用3-氨基丙基三乙氧基硅烷試劑（3-Aminopropyltriethoxysilane）對其TaOx外層進行修飾以便使其與PEG鏈和環(huán)狀直鏈短肽（CNGRCGG肽）結(jié)合作為靶向基團，最終所獲納米探針NGR-PEG-ZGGO:Cr,Pr@TaOx@SiO2可用于體內(nèi)近紅外熒光成像（NIRF）或CT成像來檢測裸鼠的腫瘤部位。

1.4 MRI-光學成像多模態(tài)探針 MRI高軟組織分辨率、多方位多參數(shù)的特點與光學成像高成像靈敏度[24]兩者結(jié)合得到的圖像可滿足功能與解剖成像的需要[25]。常見的MRI-光學多模態(tài)探針可分為MRI/熒光染料、MRI/有機金屬配合物、量子點、上轉(zhuǎn)換粒子四種[26]。近紅外光最適合FI，在此范圍內(nèi)血紅蛋白和水的吸收相對較低，因而組織穿透深度相對較高[27-31]。此外，與可見光譜相比，近紅外范圍內(nèi)的自發(fā)熒光也較低[32]。花青（Cy）家族是體內(nèi)FI常用的染料[33]，通過將Cy家族共價連接到Gd-DTPA-聚賴氨酸上構(gòu)建得到的雙模態(tài)探針，可用于術(shù)前MRI和術(shù)中腫瘤邊界的確定[34]。磁離子摻雜的量子點（MDQD）作為一種重要的 FI-MRI雙模態(tài)造影劑，可以將光學和磁學功能整合在一個納米粒子中，與其他量子點（QDs）制備的探針相比具備更小的粒徑，有助于快速排出體外；此外，MDQD還可有效避免某些復合材料或核殼材料中使用的非放射性包裝材料對MDQD熒光性能的潛在干擾[35]。熒光金屬納米團簇由于其亞納米尺寸、出色的光穩(wěn)定性和相對較低的毒性，在生物傳感和生物成像領(lǐng)域有較多應用[36]。Li等[37]以此種方式制備的聚乙二醇包被的超小氧化釓/適體-金納米團簇（PEG-Gd2O3 NPs/aptamer-Ag NMCs），通過使PEG-Gd2O3 NPs表面的羧基和aptamer-Ag NMCs表面的氨基之間發(fā)生共價偶聯(lián)反應使兩者結(jié)合。此探針可在體外通過雙模態(tài)FI-MRI對MCF-7腫瘤細胞進行特異性標記。上轉(zhuǎn)化納米材料也是今年十分熱門的領(lǐng)域，Liu等[38]制備的新型硅殼納米顆粒探針NaYF4:Yb/Tm@NaGdF4，可實時監(jiān)測藥物釋放，實現(xiàn)藥物在體內(nèi)和體外實時可視化和量化。

1.5 SPECT/PET-MRI多模態(tài)探針 PET-MRI雙模態(tài)探針一般由PET示蹤組分和MRI成像組分組成，前者包括18F、64Cu，后者包括金屬鐵、釓等，還可能含有多肽、抗體等靶向組件[39]。常見的PET/MR多模態(tài)成像探針，主要包括含Gd3+螯合物的小分子雙模態(tài)探針和納米雙模態(tài)探針。開發(fā)新型多模態(tài)PETMR探針的方法主要是通過對共軛MRI成像組件進行表面修飾，并將其與PET放射性核素和其他功能組件結(jié)合起來[40]。

Gd3+螯合物是最常用的小分子MRI造影劑，常被用于開發(fā)雙模態(tài)探針。一種小分子PET-MR雙模態(tài)探針18F標記的釓離子螫合物（Gd-DOTA-4AMP-18F，一種18F標記的新型pH值敏感MRI造影劑）可用于定量與pH相關(guān)成像[41]，是由基于Gd-DOTA的MRI成像組分與PET示蹤組分18F組成。前者成像信號與pH相關(guān)，后者可靶向至腫瘤部位。因為小分子難以承載兩個或多個成像組分，甚至由于其有限的負載能力而難以將靶向基團作為單個實體，因而以Gd3+螯合物為代表的的小分子MRI造影劑僅占PETMRI雙模態(tài)探針的一小部分，大部分都為納米雙模態(tài)探針。納米尺寸結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢允許其攜帶多模態(tài)成像組件和靶向組件，其表面、涂層和顆粒內(nèi)部的化學反應性也具備可調(diào)性。Yang等[42]制備的靶向于巨噬細胞的多模態(tài)探針1,4,7-三氮雜環(huán)壬烷-1,4,7-三乙酸-氧化鐵納米顆粒-甘露糖（NOTA-IO-MAN）粒徑分布窄，無明顯聚集或降解。PET和MRI都可證實68Ga-NOTA-IO-Man注射到大鼠足底后可在淋巴結(jié)中濃集，這說明這種探針在淋巴結(jié)成像及各種癌癥靶向治療領(lǐng)域都有著良好前景。Torres Martin de Rosalest等[43]合成的一種雙模態(tài)分子探針，是用一種新型雙功能螯合劑dtcbp使一個用于結(jié)合正電子發(fā)射劑64Cu進行PET成像的二硫代氨基甲酸酯基團和一個用于結(jié)合無機材料的雙膦酸鹽基團結(jié)合而成。通過此種方法制備的探針可通過兩種方式對淋巴結(jié)進行成像，證明了其PET-MR成像能力。Zielhuis等[44]將乙烯三胺五醋酸雙十八烷基酰胺（一種具有螯合基團的兩親分子，適合標記放射性核素）和乙酰丙酮釓（GdAcAc）（一種小型親脂順磁性分子）納入脂質(zhì)體中，并用放射性核素（如166Ho或99mTc）加以標記，被標記后的脂質(zhì)體具備較高的標記效率和放射化學穩(wěn)定性，與之相比99mTc標記的標記效率較低。最終制得的脂質(zhì)體可用作雙峰SPECT-MR成像探針，可用于多模態(tài)成像和治療，具有臨床應用的潛力。

2 多模態(tài)分子探針應用

2.1 腫瘤分子成像 分子成像能夠無創(chuàng)地觀察到與癌癥相關(guān)的不同階段的關(guān)鍵分子靶點和宿主反應，從而促進癌癥的精確診斷和治愈性治療。用于體內(nèi)腫瘤成像的高效探針需要兩個先決條件模塊：①提供可檢測信號的成像模塊；②確定腫瘤精確定位的靶向模塊[45]。Chen等[46]合成的一種新型的雙模式MRI-NIRF探針，由涂有脂質(zhì)體的超順磁性氧化鐵（SPIO）納米粒子、腫瘤靶向劑、精氨酸-甘氨酸-唾液酸肽（RGD）和近紅外熒光染料（吲哚菁綠，ICG）組成，可用于肝癌裸鼠模型的術(shù)前診斷和術(shù)中引導根治切除，于MRI和熒光圖像都可顯示出清晰的腫瘤輪廓。

2.2 胰島細胞成像 人鋅轉(zhuǎn)運體8（ZnT8）是一種專門的鋅轉(zhuǎn)運體，主要存在于胰島β細胞的胰島素分泌顆粒中，控制著鋅在胞質(zhì)中的積累和其在細胞內(nèi)囊泡腔的運輸[47]。最近的研究[48]證實，ZnT8的自身抗體是診斷1型糖尿病的一個重要生物標志物，其本身就作為β細胞成像的一個較有前景的目標分子[49-50]。胰島素顆粒中含有高濃度的Zn（Ⅱ）離子，其中一小部分未被結(jié)合[51]。鑒于Zn（Ⅱ）在分泌顆粒中占很大比例，而在胰腺其他部分相對稀少[52]，基于Zn（Ⅱ）的成像劑可能是人體成分分析（BCM）的有用工具[53]。Stasiuk等[54]開發(fā)的一種感知Zn（Ⅱ）的MRI-光學成像多模態(tài)探針，在體外可特異性地積累到分泌顆粒和分離的胰島中，在體內(nèi)MRI實驗也可清楚地勾勒出增強的胰腺圖像。這些結(jié)果表明，使用Zn（Ⅱ）感應探針的MRI成像在檢測BCM和β細胞功能領(lǐng)域有潛在的應用前景，但這種成像方法在人體中的具體應用還有待檢驗[55]。

2.3 心腦血管疾病成像 Keliher等[56]制備的一類18F標記的聚葡萄糖納米粒子18F-Macroflor，對巨噬細胞表現(xiàn)出高親和力，具備出色的PET-CT性能，并可經(jīng)腎臟快速排泄，能夠用于識別動脈粥樣硬化斑塊和缺血性心肌的炎癥，特別適于動脈粥樣硬化成像。Cao等[57]開發(fā)了一種含有2,3-二巰基琥珀酸（DMSA）涂層的氧化鐵納米粒子，帶有骨鈣蛋白（OPN）抗體，可用于高脂肪飲食小鼠模型中動脈粥樣硬化斑塊的MRI-光學雙模態(tài)檢測。

2.4 中樞神經(jīng)系統(tǒng)成像 Kim等[58]使用18F標記的(T-4)-[(1E,6E)-1,7-二[4-(二甲基氨基)苯基]-1,6-庚二烯-3,5-二酮]二氟化硼（18F-CRANAD-2）和其衍生物用于APP/PS1模型小鼠的腦成像。除了應用于腦成像，多模態(tài)探針還可用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)藥物的藥代動力學監(jiān)測。反義寡核苷酸（ASO）由于其特定的分子靶向性和藥理特性成為治療中樞系統(tǒng)疾病的極具應用前景的藥物[59]，已成功通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)的鞘內(nèi)（IT）遞送來治療脊髓性肌肉萎縮癥。然而對于ASO在IT區(qū)的藥代動力學和藥效學的特性仍然知之甚少。運用多模式成像方法可以闡明IT給藥后ASO的中樞神經(jīng)分布、清除和療效所依據(jù)的多種運輸途徑。為了確定IT給藥后ASO在神經(jīng)軸上的分布動力學，Mazur等[60]用125I標記了一種針對長非編碼RNA（RNAMalat1）的ASO，并通過SPECT/CT活體成像對其進行跟蹤。SPECT/CT圖像和全身自顯影確定了覆蓋脊髓、神經(jīng)根的腦膜、大腦底部以及腦觸角和上矢狀竇區(qū)域的高保留放射性信號，有助于對相關(guān)代謝途徑的研究。

3 前景與展望

Vahrmeijer等[61]提出，分子影像臨床應用所需克服的最大阻礙即是要證明其臨床安全性，需要經(jīng)過人體實驗并取得臨床批準，這個過程可能需要耗費較長的時間。以納米材料為例，其在體內(nèi)的生物安全性就是制約其廣泛應用于臨床的重要因素，評估其潛在的生物毒性需要較為漫長的實驗周期；其次是需要探尋制備能承載多種成像模式、靶向性好的探針的方法，得到尺寸適宜、水溶性與生物相容性都較好的探針；最后還需要考慮納米顆粒與靶向組件的藥代動力學問題，如何使兩者盡可能地匹配來實現(xiàn)協(xié)同成像，這將會是臨床應用的一大挑戰(zhàn)[39]。隨著分子影像學的發(fā)展以及與其他技術(shù)間跨學科的交叉研究，新型的分子探針與成像設(shè)備的研發(fā)將是未來研究的熱點。現(xiàn)有的分子成像技術(shù)還無法滿足分辨率、可利用度等多個方面的需求，期望在將來能獲得安全、靈敏、診療一體化的多模態(tài)分子探針。