多模態分子影像學論文范文

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1納米材料及其特點

1.1量子點量子點（quantumdots，QD）具有獨特的光學特性，具有可調的熒光發射波長，熒光發射范圍可覆蓋波長300~2400nm的波段，而且可以實現一元激發，多元發射，光化學穩定性好，熒光壽命較長，此外QD具有尺寸較小，體內循環時間長，對腫瘤具有很好的被動靶向效果等優越性質，使得QD作為熒光納米探針最先被用于活體熒光成像的研究中[5]。但是QD納米顆粒的熒光顯像目前還僅限于小動物研究階段，要用于人體內分子成像研究還需要解決一些技術問題，如熒光信號穿透性差，QD運輸效率較低，因此需要開發顆粒更小、多模態的熒光QD，以利于其臨床轉化。

1.2超順磁性氧化鐵納米顆粒超順磁性氧化鐵納米顆粒（superparamagneticironoxidenanoparticles，SPIONs）是應用較廣的磁性MRI探針，也是MRI分子影像學發展的新方向。SPIONs在生物體內主要分布于網狀內皮細胞豐富的組織和器官，如肝、脾、淋巴結和骨髓等，有助于提高以上部位腫瘤與正常組織的MRI成像對比度，同時由于其高效、安全等特點，具有較強的臨床轉化潛力，可用于各種腫瘤及其他疾病的檢測。但由于SPIONs本身沒有特異性，因此有必要在SPIONs表面修飾靶向小分子、多肽或抗體等，從而達到靶向分子顯影的目的。

1.3納米金顆粒納米金顆粒（goldnanoparticles，AuNPs）具有形態及尺寸可控、表面化學性質溫和以及生物相容性好等特點，加上其獨特的等離子表面吸收和光散射等物理特性在分子成像方面引起廣泛關注。與傳統的CT對比劑比較，AuNPs具有以下優點：①較高的原子序數、電子密度以及X線吸收系數，理論上能夠提供更加優越的CT對比性能；②無細胞毒性；③表面容易被靶向蛋白、特異性生物標志物等修飾，從而設計一系列能夠被不同成像設備顯像的分子探針；④正常人或動物體內幾乎不含金元素，且金元素容易通過電感耦合等離子體質譜這一常用的元素分析法進行定量和表征，從而更好地與影像學結果進行驗證。這些特點使AuNPs日益成為最具潛能的CT分子成像對比劑[6]。

2多模態分子影像的意義

分子影像技術包括放射性核素顯像，如正電子發射斷層掃描（positronemissiontomography，PET）和單光子發射計算機斷層掃描（singlephotonemissioncomputedtomography，SPECT）、MRI、磁共振頻譜成像（magneticresonanceimaging，MRS）、光學成像（opticalimaging，OI）和超聲等。每種顯像方法都有各自的優點和缺陷，如PET和SPECT具有高敏感性和可定量分析的優點，但空間分辨率較差；MRI的空間分辨率高，尤其是軟組織分辨率好，但敏感性相對減低；OI可以敏感、實時觀察活體內的細胞和分子功能，但其采用的近紅外光組織穿透性較差，適用于小動物或淺表器官的顯像，難以向臨床轉化[7]。多模態顯像是通過對多種成像技術的聯合應用實現優勢互補，同時提供高特異性的功能成像信息和高靈敏度、高對比度的解剖成像信息，能夠為早期診斷腫瘤提供更加精確、全面的信息。多模態顯像是目前分子影像學的研究熱點，其中PET/CT和SPECT/CT已經廣泛用于臨床，PET/MRI也已經面世。多模態分子影像成像的發展對分子探針的設計制備提出了更高的要求，需要構建多靶點、多功能分子探針，以實現多個靶點的同時識別及多種成像技術的聯合應用，從而提高腫瘤影像診斷的準確度和靈敏度[8]。多模態分子探針的基本要求包括：①與靶分子具有高度的特異性與親和力；②具有良好的通透性，能夠穿過生物屏障，如血管、細胞膜等，高效、高濃度到達靶細胞；③具有良好的生物相容性，不會引起機體明顯的免疫反應，在活體內保持相對穩定，在血液循環中有適當的清除期；④能與多種影像信號分子耦聯，并在一定程度上將需要探測的信號進行放大便于成像。

3放射性核素標記納米探針在多模態顯像中的應用

用于多模態腫瘤顯像的放射性核素標記納米探針由3個主要部分組成：納米顆粒核心，放射性核素及生物靶向分子。其中放射性核素可以直接標記在納米顆粒的表面，也可以通過鏈接物間接標記在納米顆粒上。鏈接物可以是一個羥鏈、一段多肽或一個聚乙二醇單位。納米顆粒還可以通過螯合劑，如1,4,7-三氮環壬烷-1,4,7-三乙酸（1,4,7-triazacyclononane-1,4,7-triaceticacid，NOTA)、1,4,7,10-四氮雜環十二烷-1,4,7,10-四羧酸（1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraaceticacid，DOTA）、二乙撐三胺五乙酸（diethylenetriaminepentaaceticacid，DTPA）等與64Cu、89Zr、111In等放射性核素進行標記[9-10]。納米顆粒由于其獨特的優勢已廣泛用于腫瘤的分子影像學研究，隨著各種融合影像設備的發展，多模態納米探針近年來也得到突飛猛進的發展。

3.1PET/近紅外熒光顯像（near-infraredfluorescence，NIRF）與SPECT/NIRF雙模態顯像NIRF可以在活體內實時、無創地監測疾病的分子變化水平[11]。NIRF的優點包括空間分辨率高、敏感性高、對活體生物沒有電離輻射。但是由于NIRF采用的近紅外光組織穿透性差，難以用于臨床，PET和SPECT可以提供組織穿透性強和可定量分析的圖像，因此將PET或SPECT與NIRF顯像融合可以彌補各自的缺陷。Cai等[12]將能夠靶向結合腫瘤細胞及新生血管表皮整合素αVβ3的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（arginine-glycine-asparticacid，RGD）多肽與螯合劑DOTA連接在QD表面，并用正電子核素64Cu標記DOTA-QD-RGD，然后用PET/NIRF顯像對荷人膠質瘤U87MG裸鼠進行顯像和定量分析。結果顯示，在注射顯像劑后1~25h，U87MG腫瘤對64Cu-DOTA-QD-RGD都有良好的攝取，PET和NIRF顯像的定量研究也顯示出良好的線性相關。在隨后的另一項研究中，Chen等[13]用靶向腫瘤新生血管的血管內皮生長因子（vascularendothelialgrowthfactor，VEGF）取代RGD肽，構建了另一種雙模態納米探針64Cu-DOTA-QD-VEGF，PET和NIRF顯像都顯示出U87MG腫瘤對64Cu-DOTA-QD-VEGF的攝取明顯高于對64Cu-DOTA-QD的攝取。在另一項研究中，Zhang等[14]用聚乙二醇包裹的交聯聚合物膠團（corecross-linkedpolymericmicelles，CCPM）與111In標記的膜聯蛋白A5（annexinA5）結合，合成SPECT/NIRFIRF雙模態納米顯像劑111In-DTPA-A5-CCPM。活體顯像顯示在化療誘導凋亡的荷瘤動物組中，腫瘤對顯像劑的攝取明顯高于未經治療的對照組。此外腫瘤對111In-DTPA-A5-CCPM的攝取也顯著高于111In-DTPA-CCPM。放射自顯影和免疫組化證實了111In-DTPA-A5-CCPM的攝取與腫瘤切片中半胱天冬酶-3（caspase-3）分布的位置一致。Liang等[15]用鏈霉親和素納米顆粒為載體合成SPECT/NIRF雙模態探針，這個新型納米探針由3個生物素化的部分組成，包括靶向腫瘤細胞的抗人表皮生長因子受體-2（humanepithelialgrowthfactorreceptor2，HER2）的抗體赫賽汀（Herceptin），用于111In放射性標記的螯合劑DOTA以及用于NIRF顯像的熒光基團Cy5.5，通過鏈霉親和素載體將這3部分組裝在一起。SPECT和NIRF顯像結果均顯示111In-DOTA/Cy5.5/Herceptin納米顆粒具有良好的生物體內分布，腫瘤/正常組織比值很高，在注射后40h，腫瘤的放射性攝取達到21ID%/g，明顯高于肝臟、心臟、腎臟、脾臟和肌肉等正常組織。因此推測鏈霉親和素作為構建腫瘤多模態顯像探針的載體具有巨大的潛力。

3.2PET/MRI與SPECT/MRI雙模態顯像MRI的時間分辨率和空間分辨率很高，尤其是軟組織分辨率高，因此在神經、骨骼、肌肉以及其他系統腫瘤的診斷方面具有優勢，然而MRI的敏感性比放射性核素顯像的敏感性低，因此近年來，PET或SPECT與MRI融合顯像也得到越來越多的關注。有研究者將RGD肽和DOTA螯合劑聯接在氧化鐵（ironoxide，IO）納米顆粒上，然后用64Cu進行標記，將新合成的納米探針64Cu-DOTA-IO-c（RGDyK）用于荷U87MG裸鼠的PET/MRI顯像，結果發現在尾靜脈注射顯像劑后1~21h，腫瘤對64Cu-DOTA-IO-c（RGDyK）的攝取都明顯高于未聯接RGD肽的64Cu-DOTA-IO；將RGD肽與64Cu-DOTA-IO-c（RGDyK）同時注射于動物體內，發現腫瘤的放射性攝取顯著減低，提示64Cu-DOTA-IO-c（RGDyK）是特異性結合于腫瘤細胞的。同時T2WI顯示，在注射顯像劑后4h，腫瘤部位的信號明顯減低，腫瘤的病理切片也顯示MRI上的低信號部位有鐵染色，進一步證實了MRI與PET顯像結果的一致性[16]。在另一項研究中，Kim等[17]用一種腫瘤靶向分子齊墩果酸（oleanolicacid，OA）與螯合劑NOTA、氧化鐵納米顆粒（IONP）聯接，并用68Ga進行標記，制成PET/MRI雙模態分子探針68Ga-NOTA-OA-IONA。體外實驗顯示結腸癌HT29細胞能特異性攝取68Ga-NOTA-OA-IONA，同時68Ga-NOTA-OA-IONA對HT29還有一定的抑制作用。隨后對荷結腸癌HT29裸鼠模型進行活體內PET和MRI顯像，結果進一步證實腫瘤部位能夠攝取顯像劑68Ga-NOTA-OA-IONA，并且PET與MRI顯像結果一致。Misri等[18]將111In標記的抗間皮素抗體（111In-mAbMB）與SPIONs結合起來，形成SPECT/MRI的雙模態納米探針。生物分布實驗結果提示，內皮素陽性的A431K5腫瘤能夠特異性攝取111In-mAbMB-SPIONs；MRI顯像與生物分布實驗結果一致，注射顯像劑后腫瘤部位的信號發生了明顯變化。4.3PET/MRI/NIRF與SPECT/MRI/NIRF多模態顯像Xie等[19]用多巴胺修飾氧化鐵納米顆粒表面，并與人血清白蛋白相聯接，然后分別用放射性核素64Cu和熒光染料Cy5.5進行標記，從而形成一種新型PET/MRI/NIFR多模態分子探針，并且用荷U87MG瘤裸鼠模型進行PET/MRI/NIFR多模態顯像。NIRF顯像結果顯示，在注射顯像劑后1h就可以清楚看到腫瘤顯影，并且腫瘤的熒光強度隨時間延長而增高。1h的腫瘤/肌肉比值為1.98±0.20，4h升至2.52±0.27，18h繼續升高至3.08±0.28。PET顯像也顯示在注射后不同時間點腫瘤的攝取逐步上升；與NIRF相比，根據PET圖像定量分析計算的腫瘤/肌肉比值更高，這主要是因為PET圖像上的本底更低。MRI圖像顯示在注射顯像劑后18h，腫瘤部位的信號明顯下降，而且MRI顯示腫瘤部位的顯像劑分布不均勻。此外，在肝臟中也發現大量的顯像劑聚集。Hwang等[20]報道了用鈷-鐵素體納米顆粒聯接AS1411適配子制備多模態納米探針MFR-AS1411，其中AS1411能靶向定位于腫瘤細胞膜表面高度表達的核仁蛋白，用紅色熒光染料羅丹明包裹該納米顆粒，并通過螯合劑與放射性核素67Ga標記。該納米顆粒在核仁蛋白表達陽性的C6細胞中表現出特異性的熒光信號，隨著MFR-AS1411納米顆粒濃度的增加，細胞中羅丹明熒光強度及67Ga放射性活度都隨之增高。活體SPECT顯像提示注射顯像劑后，腫瘤部位出現特異性的攝取。活體MRI顯像及離體光學顯像的結果與SPECT顯像結果匹配良好，在注射納米探針前后分別對荷瘤鼠進行MRI掃描，顯示腫瘤部位的信號顯著增高。

4展望

以放射性核素標記納米顆粒為基礎的多模態分子新探針和多模態影像技術的開發不斷提高了對腫瘤發生、發展機制研究的水平，推動了腫瘤診斷和治療的發展，具有廣闊的臨床應用前景。但是目前多模態納米分子探針還存在以下一些問題亟待解決：①納米顆粒在肝臟、脾臟等網狀內皮系統（reticuloendothelialsystem，RES）中的攝取是影響活體顯像效果的主要因素，納米顆粒的理化特征如尺寸、極性、彈性及表面電荷都會影響其在活體內的生物分布和清除。直徑<6nm的球形納米顆粒容易通過腎臟系統排出，直徑4~8nm的納米顆粒會很快被RES攝取，并通過肝膽系統排泄[21]。因此，相對較小的納米顆粒在RES中的攝取更低，可以獲得更高質量的圖像。②放射性核素，特別是一些金屬離子，可能會與納米顆粒表面修飾的螯合劑或者聚合物脫離，從而導致正常器官對游離放射性核素的攝取，降低腫瘤的特異性攝取。因此在設計放射性標記多模態納米探針時，需要考慮其在活體內的穩定性[22-23]。③為了提高分子探針在腫瘤組織中的特異性結合能力，需要謹慎地選擇靶向腫瘤的成分，如多肽、抗體等。④在設計放射性核素標記多模態分子探針時，還需要認真考慮納米探針的生物安全性，在納米探針用于人體臨床研究之前，需要深入研究其潛在毒性，一些無機的含有重金屬如釓、鎘的納米顆粒已經被證實有一定的毒性，另外，一些以碳為基礎的納米顆粒也顯示出一定的生物毒性[24,25]。總體而言，具有生物相容性的有機納米材料比重金屬、無機的納米材料更適合用于人體研究。綜上所述，過去十幾年納米技術和分子影像學的高速發展，為放射性核素標記多模態納米探針的研發帶來了巨大的機遇和挑戰。盡管目前多模態納米探針的設計還存在一些問題，可能還需要較長的時間才能用于臨床實踐，相信隨著科學技術的不斷進步，這些問題最終將得到解決，多模態分子影像將會為腫瘤的早期診斷和治療提供巨大幫助。

作者：邢巖趙晉華單位：上海交通大學附屬第一人民醫院核醫學科