肿瘤分子影像学：进展及挑战

卢光明 江泽飞 蔡惠明 张龙江

恶性肿瘤是导致人类死亡的第二大“杀手”，严重威胁着人类的健康[1]。肿瘤精准医疗提倡实现精确、实时动态的肿瘤分类与诊断，并制定个体化的肿瘤预防和治疗方案[2-3]。因此，发展高精准的肿瘤诊疗技术是现代肿瘤医学领域的重要方向。分子影像技术的应用可在肿瘤发生解剖形态学改变前检测出病变基因或蛋白水平的异常，在肿瘤的超早期诊断方面具有独特的优势。目前分子影像技术的应用已从单纯的肿瘤诊断延伸到诊疗一体化领域，展现出良好的前景[4]。随着学科的发展和交叉学科的加强，以及多学科背景科研人员的介入，在寻找高敏感的靶分子、构建高特异的显像探针和建立高分辨力的成像方法上均取得重要进展，大量探索性工作正推动着分子影像技术快速地迈向临床转化领域。本文以构建高敏感、高特异的显像探针为重点，阐述了近年来肿瘤分子影像学的进展及挑战。

1 分子影像在肿瘤诊断中的研究

1.1 分子影像在肿瘤微环境成像中的应用

1.1.1 肿瘤新生血管成像 肿瘤新生血管是肿瘤微环境的重要组成部分。肿瘤在生长过程中会释放促血管生长因子，形成不成熟的血管网，为肿瘤获取营养和转移提供通道。肿瘤新生血管中较常用的靶标包括整合素αvβ3和血管内皮生长因子受体（vascular endothelial growth factor receptor，VEGFR）等。Chen 等[5]在量子点表面连接VEGF，并同时修饰64Cu，对肿瘤新生血管进行了光学和PET 双模态成像；Nie 等[6]在金纳米星表面修饰RGD 多肽，发现其可以靶向胶质瘤新生血管表面的整合素αvβ3，并进行高分辨光声成像，实现在治疗后早期肿瘤体积改变前评价治疗疗效。Wu 等[7]进一步通过18F 修饰的RGD 多肽（阿尔法肽Ⅱ）与18F-FDG 联合，对乳腺癌病人进行肿瘤新生血管成像，显著提高了诊断的敏感性。目前肿瘤新生血管已逐步成为临床肿瘤特异性分子成像的新靶点，并在肿瘤的早期精准诊断和疗效的早期评价中发挥重要作用。

1.1.2 肿瘤酸性微环境成像 肿瘤生长主要依赖糖代谢，而肿瘤新生血管的输送效率低，因此糖代谢产生的乳酸在肿瘤微环境中持续堆积，造成微环境酸化。通过设计对酸环境响应的分子影像探针，可以在活体对弱酸性的肿瘤微环境进行成像。例如，Wang 等[8]利用高分子聚合物构建的荧光分子探针对酸性微环境进行“关-开”的响应成像，可将肿瘤局部荧光信号放大300 倍。Wang 等[9]和Tian 等[10]进一步提出可逆响应酸性微环境的“关-开-关”型多模态分子影像探针，通过随pH 改变可逆响应来控制探针对肿瘤细胞的亲和力，在活体水平实现对乳腺癌等肿瘤的高特异性成像。由于肿瘤环境属弱酸性，与正常组织pH 值相差在1 个pH 以内，所以酸性微环境成像工作的难点在于设计新型探针，以实现高敏感的pH 响应及维持其在血液循环中的稳定性。

1.1.3 肿瘤乏氧微环境成像 肿瘤细胞生长需要快速消耗氧气，故肿瘤微环境普遍具有乏氧的特性。乏氧微环境促进肿瘤放化疗抵抗和转移，是影响肿瘤预后的独立预测因子。分子影像技术可以无创实现全身肿瘤组织的乏氧成像。标记放射性核素的咪唑类化合物（F-MISO）可以选择性与乏氧肿瘤细胞内蛋白质等生物大分子结合，实现肿瘤乏氧的PET 成像。近红外成像和光声成像技术可以凭借血红蛋白在近红外波段的特殊光谱测量肿瘤组织血氧浓度，反映肿瘤的乏氧状态，在肿瘤乏氧检测中具有巨大的潜力。

1.1.4 肿瘤免疫微环境成像 免疫细胞是肿瘤微环境的重要组成成分。在肿瘤发生发展和治疗的不同阶段，肿瘤微环境中的免疫细胞类型、数量和功能状态呈现动态变化的特征。通过分子影像技术观察肿瘤微环境中免疫细胞的动态变化，对研究肿瘤免疫逃逸机制和指导免疫治疗方案具有重要的意义。Qi 等[11]利用多种颜色的荧光素标记免疫细胞，在黑色素瘤化疗过程中实时动态显示肿瘤免疫微环境的改变，为优化免疫治疗提供了依据。Meir 等[12]利用胶体金标记T 细胞，利用CT 成像技术追踪T细胞在体内的分布、迁移及动力学。由于肿瘤组织内免疫细胞的复杂多样，利用分子影像技术显示肿瘤免疫微环境不同组分的全景将是未来工作的难点和重点。

1.1.5 肿瘤基质成像 细胞外基质是肿瘤细胞的支撑结构，含有弹性蛋白、胶原蛋白、胞外基质糖蛋白等物质。肿瘤基质中富含基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMP），可以降解和重塑肿瘤的细胞外基质，被认为是介导肿瘤转移和侵袭的关键分子。通过构建MMP 响应性分子探针，可以检测肿瘤组织中基质金属蛋白酶的表达水平，有望预测肿瘤转移风险。Chen 等[13]采用纳米金颗粒装载阿霉素和MMP-2 特异性多肽，当探针进入肿瘤基质时，可以被特异性高表达MMP-2 切断，并释放阿霉素，实现肿瘤的靶向治疗。

1.2 分子影像技术在肿瘤诊断中的应用价值

1.2.1 肿瘤早期精准诊断 肿瘤早期精准诊断是改善肿瘤病人总体生存率的关键。分子影像技术能够直接针对肿瘤细胞或细胞内一些独特分子进行特征性显像，可以在尽早的时间点精准发现肿瘤病灶。当前多种分子影像技术（如PET、MRI、光学分子成像技术等）已经应用于肿瘤早期精准诊断，如生长抑素类似物标记放射性核素类分子影像探针，通过PET 等设备可以获得高对比度的肿瘤影像，对微小和转移病灶的精准诊断具有较高的特异性和敏感性，该技术目前已经实现临床转化[4]。此外，基于自体荧光的光学分子成像技术对胃肠道肿瘤的早期诊断具有较高的敏感性和特异性。

1.2.2 肿瘤分子分型 随着高通量测序和组学技术的发展，肿瘤分子分型成为肿瘤精准诊疗研究的热点。分子影像技术可以基于多尺度显像动态观察肿瘤细胞和间质成分的生物学信息，在肿瘤影像分子分型领域具有巨大的潜力。Sun 等[14]成功构建了18F-MPG，通过PET 成像能够实时、动态、精准识别肺癌表皮生长因子受体分型，从而指导临床靶向药物治疗的决策，预测并评价癌症靶向治疗效果。Liu等[15]报道了一类基于核酸的适配体，一定程度上实现了乳腺癌分子分型，对指导乳腺癌的治疗具有一定的价值。尽管分子影像技术在肿瘤分子分型中的研究尚处于起步阶段，但其精准、无创、实时动态评估的优势已日趋显现。

1.2.3 转移病灶检测 转移灶的诊断和治疗面临较多的挑战，如病灶体积小、呈现多样性和易转移到不同组织器官。PET/CT、PET/MRI 等双模态成像技术实现了功能代谢与解剖形态学影像的融合，可全面、直观、准确地反映肿瘤病人的肿瘤分布、代谢、转移、分期等情况，显著提高对转移病灶检出的敏感性和特异性。

1.2.4 肿瘤的术中导航 术中肿瘤边界和淋巴结是否受累的判断是肿瘤手术治疗的难题。分子影像技术可以通过术中影像为肿瘤精准切除提供导航。目前可应用于术中导航的分子影像技术包括光学、MRI、超声等，尤其是光学分子影像技术已经在乳腺癌、肝癌和脑胶质瘤等肿瘤手术中实现临床转化。如Chi 等[16]利用自主研发的光学分子影像导航系统，利用一类安全的荧光示踪染料吲哚菁绿（ICG）实时、动态地检测乳腺前哨淋巴结。荧光标记的5-氨基乙酰丙酸应用于恶性胶质瘤术中导航的Ⅲ期临床试验发现，该方法在切除肿瘤的同时最大限度地保护了脑组织，显著延长了病人无进展生存期[17]。

1.2.5 肿瘤的疗效评估 基于肿瘤大小的实体瘤疗效评价标准有一定的滞后性，而且对分子靶向治疗和免疫治疗效果评价的准确性有待提高。分子影像技术能够显示治疗后肿瘤分子水平变化，有望更早更准确地评价疗效。例如18F-FLT、11C-thymidine和11C-MET 可分别示踪细胞内DNA 合成和氨基酸转移水平，反映在体肿瘤细胞增殖状态，进而在分子水平检测放疗或化疗药物的疗效，并根据监测结果及时调整治疗方案，避免过度治疗。

2 分子影像在肿瘤治疗中的研究

2.1 在药物递送与多药耐药中的作用 由于肿瘤血管不成熟、组织间液压高，造成抗肿瘤药物难以在肿瘤组织富集。纳米分子探针既可以作为药物载体，增加药物肿瘤组织聚集，降低其毒副作用；还能在体内显像，实现动态、定量、无创地评价药物分布。上海药物研究所药物制剂中心将硫酸乙酰肝素与多西他赛自组装成HS-DTX 分子，随后用红细胞膜将其包裹，形成仿生纳米递送系统rHS-DTX，实现了药物在肿瘤原发部位及转移灶的靶向递送，同时还降低了对正常组织器官的毒性[18]。

肿瘤细胞多药耐药是导致治疗失败的主要原因。分子外排转运体（MDR1,P-gp 等）能显著降低肿瘤细胞内的药物浓度，是多药耐药的重要机制之一。Ni 等[19]开发了核酸-聚合物自组装技术，利用短发夹结构RNA 对耐药基因的沉默作用，实现对乳腺癌耐药行为的逆转，显著提升了抗乳腺癌药物的治疗效果。此外，纳米分子探针可以有效地保护药物不被外排转运体排出肿瘤细胞，从而提高耐药肿瘤的治疗效果。

2.2 在免疫治疗中的作用 近年来，肿瘤免疫治疗无论在基础研究还是临床试验中都取得了显著的进展，是治疗肿瘤的新手段。目前针对免疫检查点[如细胞毒性T 淋巴细胞相关抗原4（CTLA-4）和程序性死亡分子1 及其配体（PD-1/PD-L1）]的抑制剂均在肿瘤治疗中取得了“突破性”的效果。然而，由于部分肿瘤免疫源性低、浸润免疫细胞“无能”，并不是所有病人都对免疫治疗敏感。具有诊疗一体化功能的纳米探针，凭借其自身的理化特性和易于修饰的优势，可作为免疫治疗药物载体、疫苗或免疫佐剂，显著提高免疫治疗的疗效；为病人筛选、疗效检测、治疗方案优化、预后评估提供了新方法。卢光明和陈小元等开发的双佐剂-新抗原纳米疫苗，通过DNA 佐剂、小分子药物佐剂以及多肽新抗原逐步组装和装载，显著提高了针对结直肠癌的肿瘤新抗原的体内免疫活性[20]；且通过联合免疫检查点抑制剂，有效实现清除肿瘤病灶以及防止肿瘤复发的免疫治疗效果。

2.3 在光治疗中的作用 光治疗具有极好的空间选择性，是近年来肿瘤精准治疗研究的热点方向之一。大部分光治疗药物本身具有成像能力，例如光治疗使用的光敏剂大部分具有荧光成像能力；光热治疗使用的纳米探针也具有光声成像能力。因此，光治疗非常适合在分子影像技术导航下开展。光治疗的缺点在于激光穿透深度较浅，不适用于深部肿瘤。解决这一问题可能方案包括：①采用有创性光纤插入肿瘤，将光引入深部肿瘤[21]；②将光热治疗作为术中或术后辅助治疗手段，利用手术切口将光引入[22]；③使用近红外Ⅱ区光源或X 线代替传统激发光源[23]。

3 肿瘤分子影像面临的挑战和展望

3.1 分子靶标的选择 分子靶标可以特异性地反映肿瘤发生、发展、转移密切相关的生物分子。通过分子影像探针标记分子靶标后，临床医师可以通过影像直观地评价肿瘤及其对治疗的反应。常见的肿瘤分子靶标可以按其与细胞的相对位置分为细胞外（如肿瘤微环境）、细胞膜（如肿瘤特异性受体）和细胞内（如肿瘤特异表达的基因）靶标。目前，细胞外和细胞膜分子靶标的标记方法相对较成熟，但在活体水平对肿瘤细胞内的靶标进行标记仍然是一个难题。如何使探针穿过细胞膜靶向特定的分子靶标，同时保证探针本身的安全性，仍有待探索。

3.2 分子探针的研发 分子探针是指能够与特定生物分子（分子靶标）特异性结合，并提供影像学信息的物质。构建合适的分子探针决定了分子影像的特异性、敏感性和分辨力。目前分子探针的发展迅速，其不仅可以进行核医学、MRI、光学、超声等单模态的成像，还可以将2 种及以上的成像方法融合，进行多模态成像。此外，分子探针还可以在成像的同时进行治疗，达到诊疗一体化的效果。但是，如何针对临床问题设计安全高效的探针，实现不同模态不同功能之间的有机互补，是分子探针转化必须考虑的问题。

3.3 分子影像与人工智能 人工智能技术，特别是深度学习技术，为评价分子探针与细胞的相互作用，甚至分子探针在肿瘤活体模型中的分布提供了新手段。例如，Zhang 等[24]通过生成对抗网络构建了预测纳米探针在肿瘤内部分布的工作GANDA（Generative Adversarial Network for Distribution Analysis），准确率可以达到93%。这些工作有望用于深入挖掘分子影像中的潜在有效信息，从而为肿瘤分子事件的判读提供更精准的信息。

3.4 临床转化的困惑 肿瘤分子影像作为新兴技术，无论是高特异分子影像探针还是新型高分辨成像设备等均有巨大转化应用前景。但是，肿瘤分子影像技术，特别是分子影像探针，面临工业化、标准化制备难，临床转化审批难等挑战。因此，肿瘤分子影像探针转化研究迫切需要以具体的临床问题为导向，寻找具有成药可能性的探针制备方案，积极推动审批流程的科学管理，从而使分子影像探针真正拥有高效、无创、安全的品质，尽早实现产业化和临床应用，更好地服务广大病人。

总之，作为一门交叉学科，分子影像技术要更好、更快地实现基础研究向临床应用的转化，需要多学科背景的科研工作者之间的相互紧密合作。相信随着科学技术的不断发展，分子影像技术必定会为攻克肿瘤创造新的希望。