多模态分子影像技术应用于肿瘤的研究进展

周 晖 吴俊娇 范洁琳 综述 刘进康 审校

肿瘤是威胁人类健康的重要疾病之一[1]。肿瘤的早期诊断和治疗是提高患者生存质量和治愈率的关键。传统的X线、超声、CT、MRI和PET难以发现早期阶段的肿瘤，对其定位、定性诊断相当困难[2]，而随着纳米技术的发展及分子探针在影像学中的不断应用，影像医学已从对传统的解剖和生理功能的研究深入到分子水平成像，为肿瘤的早期诊断、治疗及生物学特性研究带来了希望[3，4]。

多模态分子影像技术是将同时具有多种显像功能的分子探针注入机体，通过多种成像技术的检测，获取病变部位多种信息的一门新兴的分子影像技术，它是医学影像学近年来最大的进步，也代表了今后医学影像学发展的方向。

1 肿瘤分子成像探针和多模态影像系统

探针合成技术依然是当前分子影像学研究的核心技术，肿瘤分子成像探针技术涵盖了肿瘤代谢、增殖、细胞凋亡、血管生成、受体和报告基因靶向等探针的合成技术[5]。目前应用于肿瘤的分子显像技术有光学成像技术、CT成像技术、MRI分子成像技术、超声分子影像技术和单光子发射型计算机断层显像（single photon emission computed tomography,SPECT）正电子发射型计算机断层显像（positron emission co-mputed tomography, PET）技术。但是，单一分子影像技术存在着自身难以克服的缺陷，如荧光成像在人体尤其深部组织很难获得定量信息，CT成像技术缺乏特异性靶向对比剂，放射性核素和超声成像分辨率低等[6～9]。因此，任何一种单一的成像方式都不足以充分地获取肿瘤的信息，联合使用多种分子成像技术可实现彼此优势互补，能够为明确诊断提供更加精确而全面的信息。

多模态分子影像成像的应用对分子探针的设计制备提出了更高的要求，旨在构建多靶点、多功能分子探针，以实现多个靶点的同时识别及多种成像技术的联合应用，提高肿瘤影像诊断的准确度和灵敏度。

如今更高质和更强有力、更为复杂的多模态影像系统已经产生，它将多种影像功能结合于一种纳米载体，可作为更好的分子探针应用于肿瘤早期阶段的检测和诊断。同时，大量基于纳米技术的显像剂也已得到深入开发，如量子点、磁性纳米粒子、近红外荧光（near-infrared fl uorescence, NIRF）染料或放射性标记分子等[10]。Xie等[11]报道的将支持PET/NIRF/MRI的铁纳米粒子构成的三模态成像系统注射入移植瘤小鼠体内后，通过药动学研究和多模态成像以及组织病理学评估，证明该多模态成像系统作为治疗诊断平台具有显著的应用价值。Hwang等[12]提出了一种通用的癌症诊断成像模式,他们应用磁性荧光纳米粒子构建了一种多模态成像探针——MFR-AS1411，这种探针包含了AS1411（一种能够结合到核蛋白上的DNA适配子）、荧光显像剂若丹明β-异硫氰酸酯、放射性核素显像剂67Ga-柠檬酸以及MRI方式的钴铁氧体，在C6荷瘤裸鼠上证明MFR-AS1411在体内、体外均具有特异的肿瘤靶向效应，这种完整的多模态影像系统能够通过荧光成像、放射性核素显像和MRI信号获取综合信息，提供准确的肿瘤检测，减少单一模态成像的缺陷，而且提供了更广阔的成像应用范围。要实现纳米粒子从实验室到临床的转化，需要全面而详细的研究，涉及纳米粒子的生物分布、清除，生物相容性以及组织或器官毒性等。Kumar等[13]通过将标记了近红外荧光DY776和正电子发射断层成像探针124I的有机硅纳米粒子注入裸鼠体内，通过检测荧光辐射和γ射线来研究其生物分布行为，结果证明，该纳米粒子能够得到有效清除，并无明显器官毒性。这项研究为一些以硅为基础的纳米粒子探针应用的生物安全性问题提供了初步答案。

2 多模态分子影像技术在肿瘤早期诊断中的应用

目前基于多模态分子影像技术在肿瘤早期诊断中的应用主要以荧光分子探针为基础，合成多功能靶向探针，结合光学成像与MRI、PET等检测手段，进行肿瘤轮廓的界定、组织学成像分析、三维立体成像等，以实现多模态分子影像技术对肿瘤及癌前病变的早期诊断。目前对多模态造影剂的研究以基于超顺磁性纳米材料的MRI阴性造影剂为主，对MRI阳性造影剂的研究较少，张兵波等[14]以钆离子、近红外低毒量子点、二氧化硅和聚丙烯酸等为原料，构建出MRI弛豫率/荧光效率高和生物相容性好的GdIII/量子点多模态纳米探针，T1加权MRI成像证实了GdIII/量子点多模态纳米探针具有很好的阳性造影功效。MRI阳性造影剂中的顺磁性材料在T1WI上表现为高信号，而MRI阴性造影剂中的超顺磁性材料在T2WI上表现为低信号。Rachel等[15]利用可以同时被MRI和发射荧光检测到的多模态纳米颗粒CLIOCy5.5对肿瘤边界进行观察。Ho-Taek等[16]利用菲立磁鱼精蛋白硫酸盐（feridex protamine sulfate, FEPro）标记的脑来源MDA-MB-231BRL转染细胞，建立了乳腺癌转移性脑肿瘤裸鼠模型，使用连续MRI和生物发光成像（bioluminescence imaging, BLI）进行相关组织学变化的成像分析，心内注射231BRL细胞1周后，即可以在MRI的T2加权相和BLI上显示，从而可对乳腺癌转移性脑肿瘤进行早期诊断。蛋白酶被认为在肿瘤的生长、侵袭和转移中发挥重要作用，Koblinski等[17]利用近红外荧光探针（NIRF）对蛋白酶进行标记，可以使具有活性的蛋白酶成像；McCann等[18]利用荧光分子探针将荧光分子断层（ fl uorescence molecular tomography, FMT）和MRI图像相融合，对小鼠的神经胶质瘤产生三维的多模态成像，从而实现连续监测肿瘤的形态和蛋白酶活性，该技术还可推广至神经系统和其他系统肿瘤的早期诊断。

此外，构建多靶点分子探针，针对某一类特定的肿瘤，选择其特异表达的几种标志物，在合成的探针上同时耦联针对这些靶点的靶向分子，使制备的探针可以完成多个靶点的同时识别，能够进一步提高多模态分子影像检测的特异性及准确度。颜荣华[19]成功构建了人转铁蛋白（Tf）介导的磁性-近红外荧光（NIRF）双功能分子探针Tf-cy5.5-IO。该探针具有磁性和NIRF双重特性，能够特异性识别hTfR靶分子，通过MRI和NIRF成像可实现对高表达hTfR的肝癌HeLa细胞和大鼠骨髓间充质干细胞（bone mesenchymal stem cell,BMSC）体外多模态靶向成像。plectin-1被认为是胰腺导管腺癌（pancreatic ductal adenocarcinoma, PDAC）的生物标志物，Kimberly等[20]将plectin-1定 位 肽（plectin-1 targeting peptide, PTP）耦联于磁荧光纳米颗粒上，使用共聚焦显微镜和MRI对早期PDAC和癌前病变进行诊断。Qiao等[21]采用具有不同生物学意义的肿瘤相关蛋白为靶点，包括表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor, EGFR）和成纤维细胞激活蛋白（ fi broblast activation protein, FAP），前者在结直肠癌中高表达，对于肿瘤诊断具有普适性；后者专一性高表达于肿瘤间质，可更好地用于描绘肿瘤边界，适用于微小肿瘤的早期诊断，以化学键合的方式通过修饰在磁性纳米颗粒表面聚乙烯二醇（polyethylene glycol, PEG）末端的羧基与上述靶点相关的抗体进行耦联，获得肿瘤分子影像探针，应用多模态分子影像方法将高分辨MRI图像与高灵敏的光学成像或高敏感PET图像方法相结合，以实现对于肿瘤特别是微小肿瘤的早期诊断。

3 多模态分子影像技术在肿瘤定位中的应用

手术前的病灶精准定位已经成为许多疾病手术治疗成功的关键，临床研究发现SPECT、脑电图（electroencephalograph,EEG）和MRI三种检查方法对病灶定位结果一致的难治性癫痫患者，术后发作次数明显减少或痊愈；而三种检查方法对病灶定位结果不完全一致者，术后发作次数减少或无效[22]。神经系统肿瘤的手术治疗中对肿瘤的定位精度要求较高，以在保证疗效的前提下最大限度地减少其治疗并发症。多模态技术对病灶的定位更加精确，为手术提供了大量信息，并使得一些曾经无法实施的手术成为可能。Kraus等[23]报道把三维CT或MRI与PET图像融合起来的技术，获得的图像结合了解剖、功能和代谢等各项信息，可以为神经外科医师手术提供有效的导航。杨卫东等[24]把PET-CT和MRI图像融合引导立体定向脑胶质瘤活检术和手术切除,结果表明11C-Met高摄取区和11C-Met高摄取区与CT或MRI强化重叠区是活检的首选部位，可提高活检的阳性率。Josephso等[25]报道应用包含MRI与荧光示踪剂的载体，术前利用MRI显影确定手术方案，术中在荧光下对切除范围进行微调的治疗方法。依靠清晰的解剖结构影像资料和功能代谢影像资料确定脑胶质瘤的范围和边界，进行综合分析评定，可以指导真正意义上的胶质瘤影像学全切，接近并达到肿瘤生物学意义的全切。

4 多模态分子影像技术在肿瘤治疗及评估中的应用

多模态分子影像技术在肿瘤的治疗中也具有潜在的应用价值，一方面可以通过结合有MRI和PET粒子的分子探针定位微小肿瘤组织、淋巴结和细胞，以追踪肿瘤细胞的转移，观察其细胞结构与生物学行为[26]。另一方面可以检测肿瘤细胞的基因表达和其他生物标志进行临床分型，作为选择治疗方案的依据。除此之外，多模态分子影像学技术还可以应用于评价监测肿瘤的治疗效果。Strijkers等[27]提到一种顺磁性荧光脂质体可以作为探针标记到肿瘤血管，这种脂质体还可以作为载体携带靶向抗肿瘤血管生成的药物，在靶向治疗的同时，通过磁共振和荧光显像观察肿瘤血管，并对抗血管治疗的效果进行监测评价。Else等[28]在实验中使用乳腺癌移植瘤的小鼠，通过荧光探针和钆喷替酸葡甲胺（Gd-DTPA）对比剂得到小鼠体内动态对比增强磁共振成像（dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging, DCE-MRI）、弥散加权磁共振成像（diffusion-weighted magnetic resonance imaging,DW-MRI）和肿瘤的磁共振波谱分析（magnetic resonance spectroscopy, MRS）数据，通过对比治疗前后影像学及数据的改变来评价治疗效果，该结果与随后的组织学监测和基因表达分析结果一致，因此认为多模态分子影像学可以用来评价监测肿瘤的治疗效果。McCann等[18]通过使用分子探针得到荧光分子断层和MRI图像，可以得到脑内肿瘤的蛋白激酶活性浓度和其他形态学组织学参数，通过这些参数监测脑内肿瘤的发生、发展及代谢变化从而对疗效进行评估。Kaijzel等[29]使用荧光探针通过荧光成像和CT成功观察了骨肿瘤的生长和治疗效果，分子影像和造影剂数据库（Molecular Imaging and Contrast Agent Database, MICAD）研究小组使用交联氧化铁探针进行多种途径成像成功判断了肿瘤的治疗效果[30]，Foy等[31]的研究中使用了一种磁性纳米颗粒，这种颗粒以氧化铁为磁芯，包被有油酸，不仅能在磁共振上成像，还可以连接疏水性抗癌药物和近红外荧光染料，该技术通过探针和MRI、荧光显影技术及药物的耦合，可以对肿瘤提供持续的治疗并监测治疗效果，从而指导临床计划的调整。

近年来，大量分子影像学新探针和新影像学技术的开发不断拓展着多模态影像技术的应用范围，多模态分子影像技术拥有广阔的应用前景：比如若能够开发出合理的内源性基因探针，对内源性基因显像，就可能在分子/基因水平了解肿瘤的发生和发展，并对其进行基因治疗[2]；通过纳米结构的设计，构筑对肿瘤特征酶具有选择性响应的纳米智能化探针，就可实现对肿瘤转移的预警；核酸适配体纳米探针可以实现对肿瘤恶性生物学行为重要分子及信号通路的动态可视化，为肿瘤发生及发展机制的研究在分子生物学水平提供更多的证据。

多模态分子影像学技术还不够完善，还存在诸多尚待解决的问题：如何设计出最合适的多模态纳米探针，构筑相关分子影像信息；如何让纳米分子影像探针适合于人体，解决免疫逃逸问题；如何才能普遍应用于临床等，这些问题的解决需要进一步更深入、细化地探索和研究。

致谢：感谢中南大学湘雅医院放射科熊曾讲师及中南大学临床医学八年制2006级1组汪犇、邵菲、刘思祎、陈晓宇、邹建平、张耀、王芸芸同学对本文的大力协助。

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