分子影像学探针的研究现状与展望

王培军，沈爱军

(同济大学附属同济医院影像科，上海 200065)

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分子影像学探针的研究现状与展望

王培军，沈爱军

(同济大学附属同济医院影像科，上海 200065)

1999年，美国哈佛大学Weissleder[1]首次提出分子影像学的概念，2005年、2007年北美放射协会和美国核医学和分子影像学协会进一步拓展其含义[2-3]：分子影像学是可在分子或细胞水平观察、定性并定量分析人类及其他生命体的生物学过程，一般包括二维或三维图像及随时间变化的信号定量图谱。分子影像学的兴起，打破了传统影像学主要反映解剖结构变化的局限，使现代医学影像学深入到了生命有机体的微观层面，实现了结构影像向功能影像的延展，为精准医学的疾病诊断提供了有效途径。

分子影像学的发展，主要依赖于两个方面，其一是各种医用成像设备的不断改进和创新，如新的MR序列的开发、CT探测器敏感度的提升等；另一方面是能够提升成像敏感度、特异度的各类新的分子成像探针的研发。由于目前医学影像学的成像手段主要为CT、MRI、核医学、超声及光学成像等，虽然这些成像技术随着现代物理学和医用电子技术的快速发展而不断改进，但目前其分辨率还远达不到单个细胞或分子成像的水平。因此，设计和开发具有信号放大效应、组织或生物微环境高度特异性的分子成像探针，对分子影像学的实现和发展至关重要。

纳米材料科学的兴起，特别是其在生物学领域内应用研究的飞速发展，一个集多学科交叉的新兴学科——纳米医学随之诞生。纳米医学不仅为临床治疗学提供了质的改变，更为以精准诊断为目的的分子影像学探针的设计和构建提供了可能。分子影像学探针的设计原则必须包括两个基本条件，即明显提升的成像敏感度和高度特异的靶病灶诊断效能，同时也应满足较小的分子量、较长的体内半衰期、无细胞毒性等生物应用要求。目前，分子影像学纳米探针的分类尚无统一标准，根据不同的成像手段，可分为CT探针、MRI探针、核医学探针、超声探针及光学探针，以探针本身的特点分类，可分为靶向型和智能型，而后者更能反映分子影像学的理念和纳米探针的设计原则。

靶向型探针包括主动靶向型和被动靶向型。主动靶向型探针是借助纳米载体及各类成像剂(荧光素、核素、顺磁性复合物等)，将对靶病灶具有特异性亲和力的靶向剂(抗体、肽、小分子化合物等)与之连接，通过探针与组织靶点的直接结合而成像。合适靶点的选择是该类探针成像的关键。如超小超顺磁性氧化铁(USPIO)标记的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(arg-gly-asp, RGD)序列可被恶性肿瘤细胞和新生血管过表达的整合素αvβ3识别并与之结合，实现了肿瘤的特异性MR成像[4]；放射性核素124I标记的抗血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)单克隆抗体HuMV833可有效结合肿瘤内过表达的VEGF，完成肿瘤血管生成评价的PET成像[5]；双靶向功能的多肽(Angiopep-2)与掺杂Gd3+的转换发光纳米晶体结合，可在有效穿越血脑屏障的同时，与脑胶质瘤特异性结合，实现了双靶向条件下的MRI/荧光双模态成像[6]。被动靶向型探针是利用组织、器官或靶病灶区特定的生理或病理生理特点，如网状内皮吞噬系统的巨噬细胞或肝细胞的特异性识别和吞噬、肿瘤新生血管的不完整性和淋巴功能缺陷所产生的高通透性和滞留(enhanced permeability and retention, EPR)效应，设计合成相应的分子探针，在不借助靶向剂的条件下，达到在靶组织或病灶区被动富集的目的。被动靶向型探针最早用于肝脏特异性成像，并已成功地用于临床(Eovist®和MultiHance®)。肿瘤EPR效应的发现为被动靶向纳米探针的研发提供了更多的空间，且纳米探针尺寸为70～200 nm更容易实现。有研究者[7]将被动靶向纳米探针用于心血管疾病的特异性成像，通过设计具有较高T1弛豫率，且可被动脉粥样硬化斑块区巨噬细胞识别并吞噬的超小NaGdF4纳米探针，成功实现了动脉粥样硬化斑块的特异性成像。但靶向型探针在分子影像学中的应用也具有一定的局限性。首先，主动靶向型探针较易被体内的免疫监控系统发现，并在其靶向剂表面形成“蛋白冠”，极大地影响了探针与靶点的结合效率；其次，靶向型探针仍存在背景噪声高的缺点，因此需要一段时间将血液中的探针完全清除后才可更好地显示与靶组织结合的纳米探针的信号。

智能型探针又称可激活型探针、感应型探针，是一类可特异性响应组织微环境变化，并通过影像学信号改变进行成像的分子影像学探针的统称。与靶向型探针比较，因智能型纳米探针仅在被特定的分子事件激活时才会产生或明显放大成像信号，其成像的信噪比明显提高。可引起智能型探针信号变化的组织微环境或分子事件主要有：肿瘤组织pH值的降低，H2O2含量的增加，发生肿瘤、肝损伤、阿尔海默兹病等，病变区还原性巯基化合物谷胱甘肽(GSH)含量增加，细胞早期凋亡事件发生，胞浆内半胱天冬酶-3(caspase-3)的激活等。有研究者[8]以PEG为壳，磷酸钙限制的Mn2+为核构建了一种可用于肿瘤乏氧区成像的分子探针，当探针进入肿瘤后，肿瘤乏氧区更低的pH值可引起磷酸钙的溶解，从而释放出其限制的Mn2+，引起局部T1弛豫率的明显升高，进而成功绘制出肿瘤内乏氧区的地图，为临床提升肿瘤治疗效果提供有效帮助。此外，将探针内引入双硫键并被体内增加的GSH所打断的设计，成功实现了反映病变区氧化还原状态的分子水平成像(荧光、19F-MRS、MRI等)[9]；通过引入可被caspase-3识别并切断的氨基酸序列，探针能够在激活的caspase-3作用下实现小分子单体间的聚集，引起成像信号的明显放大，进而可反映细胞早期凋亡事件的发生[10]。

前述两类分子探针的研究介绍尚不能完全囊括分子影像学探针研发的全部工作，在此基础之上，将分子影像学探针的功能进一步拓展，如同一体系的多模态成像、影像介导下的治疗协同增效等，均取得了较好的效果。介入分子影像学的发展，进一步拓宽了分子影像学探针的应用研究范围，使非靶向型探针应用于分子影像学成为可能，并有望克服光学分子成像探针组织穿透深度的局限，促使其向临床应用转化。但目前分子影像学探针的研究基本处于细胞或动物实验水平阶段，实现临床转化还任重而道远，因此需要研究者不断积极地求真探索。

[1] Weissleder R. Molecular imaging: Exploring the next frontier. Radiology, 1999,212(3):609-614.

[2] Thakur ML, Lentle BC, SNM, et al. Joint SNM/RSNA molecular imaging summit statement. J Nucl Med, 2005,46(9):11N-13N,42N.

[3] Mankoff D. A definition of molecular imaging. J Nucl Med, 2007,48(8):18N.

[4] Kiessling F, Huppert J, Zhang C, et al. RGD labeled USPIO inhibits adhesion and endocytotic activity of αvβ3-integrin-expressing glioma cells and only accumulates in the vascular tumor compartment. Radiology, 2009,253(2):462-469.

[5] Jayson GC, Zweit J, Jackson A, et al. Molecular imaging and biologicalevaluation of HuMV833 anti-VEGF antibody: Implications for trial design of antiangiogenic antibodies. J Natl Cancer inst, 2002,94(19):1484-1493.

[6] Ni DL, Zhang JW, Bu WB, el al. Dual-targeting upconversion nanoprobes across the blood-brain barrier for magnetic resonance/fluorescence imaging of intracranial glioblastoma. ACS Nano, 2014,8(2):1231-1242.

[7] Xing H, Zhang S, Bu W, et al. Ultrasmall NaGdF4nanodots for efficient MR angiography and atherosclerotic plaque imaging. Adv Mater, 2014,26(23):3867-3872.

[8] Mi P, Kokuryo D, Cabral H, et al. A pH-activatable nanoparticle with signal-amplification capabilities for non-invasive imaging of tumour malignancy. Nature Nanotechnol, 2016,11(8):724-732.

[9] Zheng M, Wang Y, Shi H, et al. Redox-mediated disassembly to build activatable trimodal probe for molecular imaging of biothiols. Acs Nano, 2016,10(11):10075-10085.

[10] Yuan Y, Ding Z, Qian J, et al. Casp3/7-instructed intracellular aggregation of Fe3O4nanoparticles enhances T2MR imaging of tumor apoptosis. Nano Lett, 2016,16(4):2686-2691.

10.13929/j.1003-3289.201707087

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B

1003-3289(2017)10-1445-02

王培军(1960—)，男，浙江宁波人，博士，主任医师。研究方向：肿瘤的功能影像学、分子影像学研究及介入治疗。E-mail: tongjipjwang@vip.sina.com

2017-07-19

2017-08-25