磁共振分子成像技術：鋒芒初露的解讀生命科學利器

薛華丹，金征宇

分子影像學(molecular imaging, MI)是隨著影像醫學與分子生物學等學科的發展和相互融合而形成的新的研究領域，最早于1999年由美國哈佛大學Ralph Weissleder教授提出，廣義定義為應用影像學的方法對活體狀態下的生物過程進行細胞和分子水平的定性和定量研究[1]。與傳統的臨床影像方法相比，它更注重探測疾病分子水平的異常，而不是這些分子改變的最終結果的成像。進行分子影像學研究需要高靈敏度的成像設備，能夠定量檢測與靶目標結合的皮米或納米級探針，而靶目標(如受體)的表達量通常很低，高水平表達(每個細胞大于106)的受體濃度最多也只在1015/ml微摩爾范圍內[2]。因此，作為高敏感性的成像模態，核醫學技術(PET和SPECT)一直走在分子成像的前列。臨床上現已使用檢測高糖代謝的分子探針(FDG)。此外，磁共振、光學以及超聲成像也是目前最為常用的分子影像學技術，其中磁共振分子顯像研究近年來備受關注。

1 磁共振分子成像概念

MRI在臨床疾病的診治中一直扮演著重要的角色，尤其近年來磁共振技術發展迅速，不僅廣泛用于人體各系統的解剖成像、疾病診斷，更已悄然進入分子影像、功能成像時代。磁共振分子成像技術(molecular magnetic resonance imaging, mMRI)是以特殊分子作為成像依據，定性和/或定量研究生物組織內基因表達、代謝活性高低及細胞內生物活動狀態等結構及功能變化的生理過程，將非特異性物理成像轉為特異性分子成像，進而能在活體狀態下監測病變發展過程，研究病理機制，在基因治療后、表型改變前評價治療的早期效能， 所以評價疾病的指標更加完善和具備特異性，可提供較傳統的組織學檢查更立體、快速的三維信息[3]。廣義的磁共振分子成像范疇除包括標記靶分子成像、報告基因成像外尚包括DWI、PWI及MRS。目前磁共振分子成像技術還處于其發展的初級階段，但它在臨床醫學和基礎研究中都具有非常廣闊的應用前景。

2 磁共振分子成像技術原理

磁共振分子成像技術的基本原理如下：將遺傳基因信息、生物化學與新的成像探針綜合輸入活體組織細胞內，用它標記所研究的“靶點”，再利用磁共振分子成像技術探測分子探針發出的信息，或采用特殊技術(如MRS)特定標記與生化代謝相關的化合物，經一系列圖像后處理技術生成活體組織的分子圖像、功能代謝圖像或基因轉變圖像，從而對疾病進行亞臨床期的診斷和治療。

進行活體內磁共振分子成像技術需滿足三個基本條件：(1)高特異性分子探針，(2)生物信號放大技術，(3)靈敏、快速獲取高分辨率圖像的探測系統。小分子、高親和力的可激活探針，生物信號放大等關鍵問題對于分子水平的磁共振成像尤為重要[4-6]。

3 分子探針與靶向對比劑

分子探針(molecular probe)是一種能與活體細胞內某一靶向目標特異性結合，可以檢測其結構、性質并能產生信號，在原位及體內實時被特定的設備監測的一種分子結構。分子探針具有擴增能力，能夠在一定程度上將需要探測的信號進行放大便于成像。分子探針的要求是：分子量要小，與靶目標有高度的親和力，能迅速穿過生物代謝屏障，如血管、間葉組織及細胞膜，半衰期長，不能被機體迅速代謝等[7]。

MR分子探針必須具備與靶組織的高度親和力，能與體內組織細胞特異性結合，且能被MRI探測到對比劑或標記物部分。將傳統MRI對比劑做成分子探針的信號組件，可以通過轉運體與靶向性親和組件相連，從而靶向性導入表達特異性靶分子的組織和細胞中，達到對比增強的效果。轉運體可以是微粒(脂質體、乳劑)、納米高分子、病毒構建體、多聚體、氟碳乳劑等。靶向性的親和組件可以直接偶聯在轉運體上，這些親和組件包括小分子多肽類似物、單克隆抗體、重組蛋白、抗體片段、糖及新近應用的核酸適體等。

常用的MRI分子探針主要有兩類[8,9]：一類是以釓為基礎的順磁性分子探針, 能產生T1陽性信號對比，有鑭螯合劑和釓-DTPA及其衍生物。現有研究已證實釓為基礎的可激活探針進行基因表達成像的可行性。但由于以釓為基礎的順磁性分子探針在分子水平成像時所需要的濃度較高，技術難度大，且存在一定程度的毒性作用，故應用較少；另一類是以氧化鐵為基礎的超順磁性分子探針，能產生T2陰性信號對比，可以為單晶體, 也可以是涂有多糖的多晶體。目前常用的是超順磁性氧化鐵顆粒(superparamagnetic iron oxide, SPIO)、超小順磁性氧化鐵顆粒(ultrasmall superparamagnetic iron oxide,USPIO)和單晶體氧化鐵顆粒(monocrystalline iron oxide nanocompounds, MION)，其特點是顆粒小、穿透性強且弛豫率約為同樣條件下Gd的7～10倍, 即在很低濃度條件下就可在MRI上形成對比,同時具有生物可降解性,被細胞代謝后可進入正常血漿鐵池，安全性高，實驗室研究結果也表明超順磁性物質轉染后標記的細胞不存在近期和遠期毒副作用,是一種安全、有效、特異性高的分子探針，因此被廣泛應用于磁共振分子成像中。

此外，一些可激活探針也逐漸引起人們的興趣，這種可激活探針能夠對周圍環境產生反應，如：pH，溫度，金屬離子，蛋白質或酶，核酸，代謝產物等，通過改變分子結構來達到差別對比。

近年來，由于多模態影像技術的飛速發展，多功能分子探針成為分子影像研究領域中的熱點[10,11]。這種探針結合了MR和其他成像方式的優點。美國Stanford大學醫學院新近研制出一種結合PET和MRI的雙功能分子探針：放射性核素64Cu(半衰期為12.7h)標記的RGD-PASP-IO，并在動物模型體內驗證了這種探針對腫瘤表達整合素αvβ3PET/MRI成像的特異性和有效性[12]。這種多模態的設計理念已經成為小動物在體成像的技術潮流，并有更多相關的分子影像技術納入這一體系。

4 磁共振分子成像基本技術

通常依據不同的成像對比劑，磁共振分子成像采用不同的掃描序列。一般包括T1WI、T2WI、T2*map序列和T2map序列。對于以氧化鐵為基礎的分子探針，國內外均普遍測量組織的T2*值或T2值。SE序列是臨床檢測組織T2值的首選序列，在保持TR等其他參數不變的情況下，增加多組TE值，一般為6～8組，如果圖像中每個像素在不同TE上的信號強度與組織T2弛豫的指數曲線是一致的，該曲線的特性可以用于組織T2值的測量。現在部分MRI設備上，安裝有T2值測量和計算軟件，當SE序列選用多個TE，調用該軟件可以自動計算每個像素的T2值，并可自動生成T2值圖(T2 map)。

由于T2*值可以更靈敏地反應組織內磁敏感性的改變，近年來組織T2*值的測量日益受到重視，其采用擾相GRE序列，在該序列上保持TR、脈沖偏轉角等信息參數不變，采用2個以上的TE獲得2組以上的圖像，測量不同TE圖像上組織的信號強度，計算組織的T2*值。在GE公司的設備上目前有一個研究版本軟件，專門用于組織T2*值的測量，可合成T2*圖(單位為毫秒)或R2*圖(R2*也稱為T2*弛豫率，R2*=1/T2*，單位為Hz)。

5 磁共振分子成像技術的應用概況

磁共振分子影像學目前主要應用在基礎研究領域(除外DWI、PWI、MRS臨床已常規應用技術)，由于受到學科現有技術水平和法律法規的限制，臨床前及臨床實驗很少開展。即使如此，磁共振分子影像學仍顯示出了很好的應用前景，其在基因顯像、血管生成、疾病的早期診斷、療效評估、細胞示蹤及藥物篩選等方面已取得了令人振奮的成果。

5.1 基因表達與基因治療成像

在臨床醫學研究領域中，基因治療被認為是最具潛力、最可能發生革命性變化的領域，基因轉染和表達是其中的主要技術手段。應用磁共振報告基因成像可將目的基因和報告基因整合在一起，通過監測報告基因來判斷目的基因的存在情況。在以MR為成像方法的報告基因技術中，第1類標記基因編碼產物為酶類，包括酪氨酸酶、β-半乳糖苷酶、胞嘧啶脫氨酶、精氨酸激酶、肌酸酐激酶。這種方法開發了特定酶修改成像藥物前體(prodrugs)的能力，即將探針(含酶底物)修飾成藥物前體，經特定的酶催化，將藥物釋放出來，通過藥物在組織中的積聚反映出目的基因的表達。第2類標記基因編碼產物為受體，主要為轉鐵蛋白受體，通過轉鐵蛋白受體探針進行探測。

磁共振基因成像技術是繼核素基因顯像之后出現的新的無創性技術，其突出的特點是具有更高的空間分辨率(spatial resolution)，可反復動態觀察，且能同時獲得生理與解剖信息，因而多應用于基因傳遞、基因表達及基因療效監測中[13]。其潛在應用包括：①示蹤載體(包括載體干細胞)，顯示載體的分布情況；②明確轉染的目的基因是否在靶器官成功表達；③定位靶組織內的基因分布是否合適；④評估靶細胞的基因表達水平及持續時間，追蹤能否遺傳等。另外，它的應用將增加對基因轉染過程的了解，這對基因治療的發展和完善極為重要。

5.2 分子水平定量評價腫瘤的血管生成

目前，監測腫瘤血管生成最引人注目的方法是以與腫瘤血管生成密切相關的新生血管內皮細胞的表達物為靶目標進行成像。常用的有以VEGF、整合素αvβ3為成像靶點的MR分子成像。如將對比劑與整合素αvβ3單抗拼接后，可與整合素αvβ3結合，進而將新生血管與原有宿主血管分開，定量分析新生血管的結構和功能情況[14,15]。另一方面，由于腫瘤血管生成過程中伴隨某些特征性標記物水平上調，通過與這些標記物特異性結合，從而進行外源性基因的表達成像。Kayyem等[16]合成了一種耦聯多聚賴氨酸的特殊配體分子，兩端分別連接治療基因和MR對比劑，可與細胞表面受體或抗原特異性結合，把所連接的治療基因、MR對比劑同時導入到特定細胞內，通過MR的強化程度即可直接判斷目的基因的轉染情況。目前，上述特異性對比劑如釓離子標記的多聚脂質體已經接近臨床應用。

因此，MR分子成像技術可以定量分析新生血管的生成、結構和功能情況，還可監測血管生成抑制因子及刺激因子在時間及空間上的分布。另外，經過修飾后的特異性對比劑還可轉變成具有治療功能的物質，使治療和診斷合二為一。

5.3 疾病早期診斷、療效監測

目前臨床對疾病的影像學診斷是以大體病理改變為基礎的，發現時往往是疾病的終末期。磁共振分子成像技術實現了在分子水平檢測病變，從而真正達到了早期診斷、早期治療的目的。同時應用分子影像學技術在治療極早期就可以反映出治療的效果，從而對治療方案進行準確評估[17]。

5.4 細胞示蹤

細胞治療是現代醫學治療技術的重要組成部分。細胞治療廣泛開展后，如何無創性在活體內動態監測細胞的遷移、生存狀態一直是困擾醫學科研工作者的難題，也是近幾年研究工作的熱點。能否在細胞分子水平對活體細胞的分布、增殖、遷徙進行評價是影響治療成敗的關鍵因素。

在基礎研究中，MR示蹤劑的有效時間長，可以實時、無創、連續多次觀察細胞的動態遷徙過程，且空間、時間分辨率高，對比度好，故在活體細胞的示蹤中有良好的前景[18,19]。與常規體外和細胞培養技術相比具有明顯優勢，磁共振分子成像技術為細胞示蹤術的發展提供了充足的技術保障和良好的研究平臺，從而開創了分子影像學與細胞治療相結合的新局面。

5.5 藥物研究

磁共振分子成像技術對藥物的臨床前研究發揮重大作用。在藥物研發早期，將標記的受試藥物取微克量注入到動物體內，利用分子影像學技術就可以監測藥物在動物體內的分布情況，判斷該藥物是否能夠準確到達靶區，對藥物的藥代動力學和藥效動力學特征進行系統評測[20]，從而提高藥物臨床前安全性評價的可參考價值，提供更為可靠的依據。同時，還可以極大加快藥物的研發速度，縮短預臨床研究時間，減少新藥研制的資金投入。

6 磁共振分子成像技術的不足與展望

目前，磁共振分子成像技術在動物實驗水平已取得重大研究進展，大量研究已證實利用磁共振技術進行分子水平成像的優勢及可行性，但要實現臨床廣泛應用仍面臨許多問題，如分子探針的安全性、敏感性及標準方法的建立；探測信號敏感性；擴增系統的有效性等。這些還有待于磁共振軟、硬件系統及相關技術的進一步發展，此外，發展多模態成像克服單一模態技術的局限性也是未來研究的發展方向[21]。

總之，磁共振分子成像技術為醫學影像學的發展提供了一個前所未有的機遇，將極大促進相關科學領域的快速發展，顯著提高疾病診斷的敏感性和準確性，將生命影像診斷技術帶入全新的時代。

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