1、分子成像技術及應用摘要：分子成像作為一個近些年發展起來的嶄新學科領域，是許多技術的簡稱，這些技術能 夠讓研究人員看到身體內的基因、蛋白質和其他起作用分子，使疾病在基因水平上的早期診 斷和監測以及更進一步地微觀評價療效成為可能。同時，體內分子成像可在機體完整的微環 境狀態下觀察生物系統的病理過程。此外，與現今費時耗力，且有創的檢查技術如組織活檢 分析技術相比，分子成像還可提供更為優越的三維信息。未來10年內分子成像可能取代乳 房X線照片、活體檢查和其他診斷技術。它使細胞功能可視化，并且能在生物活體內部無 創地跟蹤分子過程。該領域的技術還可以用于許多疾病諸如癌癥、神經和心血管疾病的早期 診斷。同時

2、，這項技術還可以通過優化新藥物的臨床前和臨床測試來改進臨床治療，這將 會由于其早期和準確的診斷而帶來很大的經濟影響。可以預見分子成像技術的迅速發展可 能導致臨床醫療的重大變革。關鍵詞：分子成像；分子探針；熒光成像；核磁成像；量子點醫學影像技術的發展可以分成結構成像、功能成像和分子成像三個階段。分子成像，廣 義地可定義為在分子與細胞層次上對活體狀態下的生物過程進行定征和測量。這一定義強調 “活體狀態”（in vivo），強調對“生物過程”的定量測量，強調在“分子與細胞層次上” 的測量而不強調對分子或細胞本身的測量。也有人給出了另一個對生物醫學工作者來說更 完善的定義：“利用體外成像檢測器在細胞和

3、分子層次上對活體動物、模型系統和人體的生 物學過程進行定征和測量” 1相對于傳統的活檢，分子成像的特點是：無創檢測，動態 采集和全面反映。分子成像技術涉及信息科學、放射醫學、化學物理學、生物學、核醫學 和臨床醫學等多個學科1，它是一門新興的交叉學科。近年來，由于紅偏移光蛋白、感應熒 光底物、近紅外靶標熒光造影劑等具有較高組織穿透力的熒光探針技術有了長足的發展，熒 光成像技術開始用于小動物模型內部特異生物大分子活動規律的在體跟蹤和測量。光學分 子成像技術是整個領域新的熱點研究方向，核素標記的分子成像是當今分子成像的主流，核 素標記的分子成像雖然已經應用于臨床，但是仍然存在大量需要解決的基礎科學問

4、題。熒光 標記的光學分子成像正處于發展的初期，是分子影像學領域面臨突破的重點研究方向。在以 上提到的分子成像技術中，光學成像技術具有其他模態無法同時兼有的優點而在此領域備 受關注，因為它在特異性、靈敏性、實時性和安全性等一系列重要指標上具有明顯的優勢。 盡管光學分子成像理論和技術在很多方面遠未成熟，但它在生命科學研究中卻具有重要的 應用價值，已經引起了研究人員的廣泛重視。1分子成像的關鍵技術分子成像的關鍵技術主要包括分子探針技術、系統測量技術以及數據分析與處理技術三 個方面。1. 1分子探針技術分子探針是一種特殊的分子，它是分子成像技術的關鍵，它將特殊分子引入組織體內 與特定的分子（被稱為靶分

5、子）特異性結合時產生信號，在體外可采用核磁共振（MRI）,正 電子發射計算機層析（PET）、CT和單光子發射計算機層析（SPECT）、超聲以及光學設備進行 成像。表1列出了各種分子成像設備中的分子探針特性。對小分子熒光探針來說，一般由兩部分組成：熒光團以及與受體專一性高親和力結合 的配體。受體與目標蛋白質融合，通過受體與配體的相互作用來標記蛋白質。在分子成像 中，對小分子熒光探針的要求是：能夠與受體專一性穩定結合，使其在進行監測的較長時 間（幾個小時）內保持穩定性；應該可以穿過細胞膜并且無毒；探針盡可能地設計成一定的 模式，使得多種熒光團能夠方便地結合，背景噪音水平盡可能低。選擇合適的受體可以

6、實 現對蛋白質位點專一性結合。對于受體的選擇有以下兩個要求:1、受體與目標蛋白質融合 后必須能夠被基因表達；2、受體應該盡可能小，以致不干擾目標蛋白質的正常生理功能， 因此較理想的受體是一段短序列的肽鏈并且能夠插入目標蛋白質的許多位點。而選擇適合 的受體-配體對可以實現對蛋白質高靈敏度高親和力結合。一般說來，受體與配體的結合應 當盡可能快速進行，有利于監測時間敏感性的生理過程。受體-配體的作用一般包括半抗原 -抗體、生物素-抗生物素蛋白、酶-底物、聯砷熒光物質與富含半胱氨酸的肽鏈之間的作用 等。常見的熒光分子探針有：FLASH型探針、AGT型探針、H a lo Tag型探針、PCP、ACP 型

7、探針、F36V型探針、“C lick”反應型探針等3表1各種分子成像設備的分子探針特性成像設 備分子探針類 型定量程 度分子探針使用數 量對生物體的 干擾是否可用于人體掃 描MR I無需探針無可以PET放射性同位素標記，直接或間接納克半衰期很短 的核素標記可以CT無需探針未應用未應用輻射可以SPECT放射性同位素標記，直接或間接納克半衰期很短 的核素標記可以超聲可結合造影劑，效果更好無可以熒光成 像熒光染料或 熒光蛋白標 記幾百萬個細胞微克毫克熒光染料可能有毒性目前沒有，在研究過程中生物體 自發光 成像無需探針， 需底物幾百個細胞毫克無目前沒有2分子成像技術分子成像技術包括超聲、正電子發射斷層

8、成像、CT、單光子發射斷層成像、光學成像和 核磁共振。超聲成像利用超聲微泡造影劑介導來發現疾病早期在細胞和分子水平的變化。 傳統CT和超聲成像技術是基于成像對象的理化特性，反映的是疾病的終末期狀態，無法反 映疾病早期發生、發展的分子變化和疾病的性質。隨著具有更高的分辨率與靈敏度的微CT 出現，這項傳統技術也進入分子成像領域，主要用于腫瘤學和骨科方面的研究。1. 2. 1核磁成像核磁共振的基本原理是原子核能夠自旋從而產生自旋磁場。原子核帶正電并有自旋運 動，其自旋運動必將產生磁矩，稱為核磁矩。在外磁場中，原子核自旋角動量的空間取向 是量子化的。依據核磁矩與自旋角動量的關系，核磁矩在外磁場中的取向

9、也是量子化的。 在外磁場中，具有磁矩的原子核具有相應的能量。可見，原子核在外磁場中的能量也是量 子化的。由于磁矩和磁場的相互作用，自旋能量分裂成一系列分立的能級，相鄰的兩個能 級之差。用頻率適當的電磁輻射照射原子核，如果電磁輻射光子能量hv恰好為兩相鄰核能級之差,則原子核就會吸收這個光子，發生核磁共振的頻率條件是：hv =AhB = AhB /2 n。對 于確定的核，旋磁比可被精確地測定。可見，通過測定核磁共振時輻射場的頻率，就能確 定磁感應強度;反之，若已知磁感應強度，即可確定核的共振頻率。當有外加磁場時，原子 核的磁場發生變化從而對外表現出磁性。當沒有外加磁場時，原子核的磁場方向雜亂無章,

10、 所以被檢測目標呈磁中性。當停止外部磁場，被磁化的原子核把吸收的能量釋放出來，恢 復到它以前的狀態，這一恢復過程為弛豫過程。磁共振成像的最大優點是它是目前少有的 對人體沒有任何傷害的安全、快速、準確的臨床診斷方法。1. 2. 2核素成像核素成像主要有兩種模式，即單光子發射斷層成像(SPECT)和正電子發射斷層成像(PET),常用于追蹤小量標記基因藥物和進行基因治療中載體的傳送研究發現易于為核 素標記的既定靶目標底物的存在等方面，在目前的分子影像學研究中占據著極其重要的地 位。由于伽瑪射線具有很強的組織穿透性，較高的探測靈敏感性不會因為分子探針深度的 增加而減弱。核素成像最顯著的優點是具有較高的

11、靈敏度。PET的不足之處是需要回旋加速器產生放射性同位素而同位素的半衰期較短，且不宜 同時檢測多種探針，且設備價格昂貴。相對PET來說，SPECT最大的缺點就是只能夠進行半 定量分析。1. 2. 3光學分子成像技術活體動物體內光學成像主要有熒光成像和生物體自發光成像兩種技術。熒光技術則采用熒光報告基團(GFP、RFP),或Cy t及Dyes等熒光染料進行標記，利用報告 基因產生的生物發光、熒光蛋白質或染料產生的熒光就可以形成體內的生物光源 利用靈敏 的光子成像技術可以從動物體表檢測到組織內部的生物光源使研究人員能夠直接監控活體 生物體內的細胞活動和基因行為。常用的有紅色熒光蛋白(DsRed)、

12、綠色熒光蛋白(GFP) 及其他熒光報告基團，標記方法與體外熒光成像相似。熒光成像的優點是費用低廉和操作 簡單。紅光的穿透性在體內比藍綠光的穿透性要好得多，因此觀測生理指標的最佳選擇為 近紅外熒光。目前的技術采用不同的原理來盡量降低背景信號，從而獲取機體中熒光的準 確信息，這以GE - ART公司的時域(T im e- Dom a in, TD)光學分子成像技術及精諾真公 司和CR I公司采用的光譜分離技術為熒光成像的主要代表。對于生物體自發光成像和熒光 成像來說，后者的缺點是自熒光背景相當程度地限制了探測靈敏度，優勢在于多數熒光探 針具有設計上的高度特異性和較高的量子效率，因而可產生適合現有探

13、測技術的穩健信號; 而生物體自發光成像的成像物體不需要外源激發，無自熒光背景干擾問題，具有超高的靈 敏度，但微弱的自發光信號對探測技術提出了極高的要求，并且該模態原則上不能用于臨 床應用，僅限于基因工程細胞或轉基因類動物。總的來說，光學成像價格較低廉且具有一 個顯著優點，即它允許具有不同光譜特征的探針進行多通道成像。生物發光是用熒光素酶基因標記細胞或DNA0目前應用較多的報告基因是螢火蟲熒光素 酶基因，其基因表達產物螢火蟲素酶可以和從體外導入的螢火蟲素(Lucifer in)發生反應 而發出近紅外熒光，并可被CCD相機捕獲。自1997年Contag首次觀察到表達Fluc基因的轉 基因小鼠在注入

14、熒光素酶底物后的生物發光現象以來熒光素酶被廣泛應用于小動物成像 技術。由于生物組織一般在紅外線范圍( 900 nm )及可見光范圍(350600 nm )有較 高的光吸收；而在近紅外區域(600 900 nm )生物分子的光吸收降到最低，大量的光可以 穿過組織和皮膚而被檢測到。生物發光的最大特點是極高的靈敏度。表2和表3分別列舉了各分子成像設備的探測特性以及各分子成像方法的應用領域和優 缺點。表2各分子成像設備的探測特點成像設備成像輻射光空間分辨率 譜深度時間分辨率靈敏性MR IRadio wave 25 100 um無限制min h10-3 10-5 mol/LPET高能量射線 1 2 mm

15、無限制s min10-11 10-12 mol/LCTx 射線50 200 um無限制min未測量SPECT低能量射線1 2 mm無限制min10-10 10-11 mol/L超聲高頻率聲波 50 500 ummm cms min可能 10- 9 10- 12mol/L熒光成像可見光，近 2 3 mm小于1 cms min可能 10- 9 10- 12紅外光mol/L生物體自發可見光3 5 mm1 2 cms min可能 10-15 10- 17光成像mol/L表3各分子成像方法的應用領域及優缺點成像設備主要應用領域優點缺點MR I形態學極高的空間分辨率，相對低的靈敏性，掃結合形態學和功能學描

16、和后加工時間長，成像。需要極大量的探針。PET報告基因表達，小分高靈敏性，同位素自需要回旋加速器或發子示蹤然替代靶分子，可進生器，相對低的空間仃定量移動研究。分辨率，輻射損害，價格昂貴。SPECT報告基因表達，小分同時使用多種分子探相對較低的空間分辨子示蹤針，能同時成像，適率，輻射損害。于用作臨床成像系統。熒光成像報告基因表達，細高靈敏性，可以檢測相對低空間分辨率，胞、病毒、細菌等示活細胞和死細胞的熒靈敏度低，特異性蹤，蛋白和小分子示光信號。差。蹤生物體自發光成像報告基因表達，細極高的靈敏度，快低空間分辨率，通常胞、病毒、細菌示蹤速，方便，低成本，是二維成像。相對高通量。2熒光分子成像技術熒光

17、分子成像技術4 一直是生物醫學研究中的一個重要工具。隨著基因和蛋白質高通 量篩選技術的廣泛應用、基因病理學研究的深入以及組合化學技術的成熟，人們逐漸能夠準 確辨識與特種疾病關聯的異常基因及其表達蛋白模式進而設計和合成具有靶分子綁定或 激活功能的特異熒光探針。熒光成像的應用也從一般的對比度增強功能迅速延伸至生物醫 學研究的分子層面，如蛋白質功能剖析、基因表達模式描述、蛋白質相互作用測定和細胞生 理通道辨明等。2. 1熒光分子成像研究現狀近年來，由于光電子技術的飛速發展和光學測量的直接性，更重要的是熒光分子成像 所具有的超高的探測靈敏度和生化特異性，熒光成像技術開始用于小動物模型內部特異生 物大分

18、子活動規律的在體跟蹤和測量。現有的熒光分子成像主要采用基于反射光強度測量的 平面模式，所測光強直接反映探針與靶標分子的作用程度。熒光成像技術的發展一直遵循 著兩個基本趨勢：1、結合近紅外熒光探針技術和近紅外擴散光學層析(DOT)理論以實現生 物活體內特異大分子生化過程的無損三維定量觀測，即熒光擴散光層析(FDOT)。2、研究 面向熒光壽命測量的成像方法以增強成像對比度和有效擴展靶分子及其環境信息即熒光 壽命成像(FLI)。FDOT技術已經在頻域和連續光兩種測量模式上獲得原理性實現并成功用 于離體測試和在體蛋白酶獲得觀測，而時域FDOT模式研究則處于基本測量技術和理論體系 建立階段，但該測量模式

19、在DOT應用中已經顯示出的明顯技術優勢以及高靈敏時間分辨測 量技術的快速進步而使其備受重視，它在本質上提供了有效分離熒光發射率和壽命圖像的 多參數同時重建能力和多組分分析能力5可以預計，時域FDOT技術將成為該領域未來的 研究重點和發展趨勢。2熒光分子成像研究的意義熒光分子層析技術在細胞和分子生物學、功能基因組和蛋白組學、腫瘤診斷學以及制藥 學等諸多重要科學領域具有廣泛的應用前景。目前FDOT的應用因為受探測深度和探針效率 的限制，主要定位于小動物模型，相信隨著探針性能和成像技術的提高，它有望直接應用 于人體器官。與常規的離體檢測和細胞培養技術相比，活體小動物FDOT技術具有以下獨特 的應用優

20、勢。可潛在地作為轉基因和基因標志動物模型顯型篩選的有力工具：生存期內的重復 成像使變異調查變得簡單易行；支持復雜顯型分析所需的多探針成像策略；允許同時進行 顯型觀測和分析；排除了動物致死進行顯型確定的極端方式。在藥物開發的早期階段可極為有效地用于靶標蛋白分子的驗證、候選化合物評估、 靶標與化合物的毒性反應測試和療效評估等，從而在顯著發生顯型變化之前即可排除副作 用明顯的候選藥物，大大縮短藥物開發的臨床前實驗周期。可在體確定與生物學過程相關聯的特異分子探針在無損生物體內的時空分布能 真實反映復雜生物結構和整體生命系統的動力學過程，使得基因/蛋白質功能和交互作用的 測定更加容易。可實現所調查生物過

21、程的定量分析，而動態分子層析的實現將使生物現象的四維 信息獲取變得簡便、快速；能實現同一動物模型的重復實驗，有效揭示生物參數的動態演變 規律和評估治療時間反應特征，大幅減少實驗所需動物的數量，從而降低研究成本。3分子成像的發展前景近年來出現的量子點(Quantum Dots)新技術發展為分子成像的新領域。量子點又稱 為半導體納米微晶體，是一種理想的新型熒光探針。QDs與傳統的染色分子相比，有許多優 點：QDs的色彩非常豐富(這是它最大的優點)、光化學穩定性好、光強度高；能夠承受多 次的激發和光發射，有持久的穩定性；具有良好的生物相容性和無毒或低毒性；如果將QDs 與配體、抗體或藥物偶聯起來，可以對體內特定腫瘤進行跟蹤，甚至達到摧毀癌細胞的目的。 因此，量子點技術有望推動分子成像技術和生物制藥技術的迅猛發展給疾病的早期診治 提供先進的工具。但是，量子點在生物學中的應用研究才剛剛起步，還有許多領域有待開 拓和發展，存在一些待解決的問題。例如提高QDs性能、研制新型QDs、了解QDs在體內