多模态分子影像学论文范文

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1纳米材料及其特点

1.1量子点量子点（quantumdots，QD）具有独特的光学特性，具有可调的荧光发射波长，荧光发射范围可覆盖波长300~2400nm的波段，而且可以实现一元激发，多元发射，光化学稳定性好，荧光寿命较长，此外QD具有尺寸较小，体内循环时间长，对肿瘤具有很好的被动靶向效果等优越性质，使得QD作为荧光纳米探针最先被用于活体荧光成像的研究中[5]。但是QD纳米颗粒的荧光显像目前还仅限于小动物研究阶段，要用于人体内分子成像研究还需要解决一些技术问题，如荧光信号穿透性差，QD运输效率较低，因此需要开发颗粒更小、多模态的荧光QD，以利于其临床转化。

1.2超顺磁性氧化铁纳米颗粒超顺磁性氧化铁纳米颗粒（superparamagneticironoxidenanoparticles，SPIONs）是应用较广的磁性MRI探针，也是MRI分子影像学发展的新方向。SPIONs在生物体内主要分布于网状内皮细胞丰富的组织和器官，如肝、脾、淋巴结和骨髓等，有助于提高以上部位肿瘤与正常组织的MRI成像对比度，同时由于其高效、安全等特点，具有较强的临床转化潜力，可用于各种肿瘤及其他疾病的检测。但由于SPIONs本身没有特异性，因此有必要在SPIONs表面修饰靶向小分子、多肽或抗体等，从而达到靶向分子显影的目的。

1.3纳米金颗粒纳米金颗粒（goldnanoparticles，AuNPs）具有形态及尺寸可控、表面化学性质温和以及生物相容性好等特点，加上其独特的等离子表面吸收和光散射等物理特性在分子成像方面引起广泛关注。与传统的CT对比剂比较，AuNPs具有以下优点：①较高的原子序数、电子密度以及X线吸收系数，理论上能够提供更加优越的CT对比性能；②无细胞毒性；③表面容易被靶向蛋白、特异性生物标志物等修饰，从而设计一系列能够被不同成像设备显像的分子探针；④正常人或动物体内几乎不含金元素，且金元素容易通过电感耦合等离子体质谱这一常用的元素分析法进行定量和表征，从而更好地与影像学结果进行验证。这些特点使AuNPs日益成为最具潜能的CT分子成像对比剂[6]。

2多模态分子影像的意义

分子影像技术包括放射性核素显像，如正电子发射断层扫描（positronemissiontomography，PET）和单光子发射计算机断层扫描（singlephotonemissioncomputedtomography，SPECT）、MRI、磁共振频谱成像（magneticresonanceimaging，MRS）、光学成像（opticalimaging，OI）和超声等。每种显像方法都有各自的优点和缺陷，如PET和SPECT具有高敏感性和可定量分析的优点，但空间分辨率较差；MRI的空间分辨率高，尤其是软组织分辨率好，但敏感性相对减低；OI可以敏感、实时观察活体内的细胞和分子功能，但其采用的近红外光组织穿透性较差，适用于小动物或浅表器官的显像，难以向临床转化[7]。多模态显像是通过对多种成像技术的联合应用实现优势互补，同时提供高特异性的功能成像信息和高灵敏度、高对比度的解剖成像信息，能够为早期诊断肿瘤提供更加精确、全面的信息。多模态显像是目前分子影像学的研究热点，其中PET/CT和SPECT/CT已经广泛用于临床，PET/MRI也已经面世。多模态分子影像成像的发展对分子探针的设计制备提出了更高的要求，需要构建多靶点、多功能分子探针，以实现多个靶点的同时识别及多种成像技术的联合应用，从而提高肿瘤影像诊断的准确度和灵敏度[8]。多模态分子探针的基本要求包括：①与靶分子具有高度的特异性与亲和力；②具有良好的通透性，能够穿过生物屏障，如血管、细胞膜等，高效、高浓度到达靶细胞；③具有良好的生物相容性，不会引起机体明显的免疫反应，在活体内保持相对稳定，在血液循环中有适当的清除期；④能与多种影像信号分子耦联，并在一定程度上将需要探测的信号进行放大便于成像。

3放射性核素标记纳米探针在多模态显像中的应用

用于多模态肿瘤显像的放射性核素标记纳米探针由3个主要部分组成：纳米颗粒核心，放射性核素及生物靶向分子。其中放射性核素可以直接标记在纳米颗粒的表面，也可以通过链接物间接标记在纳米颗粒上。链接物可以是一个羟链、一段多肽或一个聚乙二醇单位。纳米颗粒还可以通过螯合剂，如1,4,7-三氮环壬烷-1,4,7-三乙酸（1,4,7-triazacyclononane-1,4,7-triaceticacid，NOTA)、1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四羧酸（1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraaceticacid，DOTA）、二乙撑三胺五乙酸（diethylenetriaminepentaaceticacid，DTPA）等与64Cu、89Zr、111In等放射性核素进行标记[9-10]。纳米颗粒由于其独特的优势已广泛用于肿瘤的分子影像学研究，随着各种融合影像设备的发展，多模态纳米探针近年来也得到突飞猛进的发展。

3.1PET/近红外荧光显像（near-infraredfluorescence，NIRF）与SPECT/NIRF双模态显像NIRF可以在活体内实时、无创地监测疾病的分子变化水平[11]。NIRF的优点包括空间分辨率高、敏感性高、对活体生物没有电离辐射。但是由于NIRF采用的近红外光组织穿透性差，难以用于临床，PET和SPECT可以提供组织穿透性强和可定量分析的图像，因此将PET或SPECT与NIRF显像融合可以弥补各自的缺陷。Cai等[12]将能够靶向结合肿瘤细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）多肽与螯合剂DOTA连接在QD表面，并用正电子核素64Cu标记DOTA-QD-RGD，然后用PET/NIRF显像对荷人胶质瘤U87MG裸鼠进行显像和定量分析。结果显示，在注射显像剂后1~25h，U87MG肿瘤对64Cu-DOTA-QD-RGD都有良好的摄取，PET和NIRF显像的定量研究也显示出良好的线性相关。在随后的另一项研究中，Chen等[13]用靶向肿瘤新生血管的血管内皮生长因子（vascularendothelialgrowthfactor，VEGF）取代RGD肽，构建了另一种双模态纳米探针64Cu-DOTA-QD-VEGF，PET和NIRF显像都显示出U87MG肿瘤对64Cu-DOTA-QD-VEGF的摄取明显高于对64Cu-DOTA-QD的摄取。在另一项研究中，Zhang等[14]用聚乙二醇包裹的交联聚合物胶团（corecross-linkedpolymericmicelles，CCPM）与111In标记的膜联蛋白A5（annexinA5）结合，合成SPECT/NIRFIRF双模态纳米显像剂111In-DTPA-A5-CCPM。活体显像显示在化疗诱导凋亡的荷瘤动物组中，肿瘤对显像剂的摄取明显高于未经治疗的对照组。此外肿瘤对111In-DTPA-A5-CCPM的摄取也显著高于111In-DTPA-CCPM。放射自显影和免疫组化证实了111In-DTPA-A5-CCPM的摄取与肿瘤切片中半胱天冬酶-3（caspase-3）分布的位置一致。Liang等[15]用链霉亲和素纳米颗粒为载体合成SPECT/NIRF双模态探针，这个新型纳米探针由3个生物素化的部分组成，包括靶向肿瘤细胞的抗人表皮生长因子受体-2（humanepithelialgrowthfactorreceptor2，HER2）的抗体赫赛汀（Herceptin），用于111In放射性标记的螯合剂DOTA以及用于NIRF显像的荧光基团Cy5.5，通过链霉亲和素载体将这3部分组装在一起。SPECT和NIRF显像结果均显示111In-DOTA/Cy5.5/Herceptin纳米颗粒具有良好的生物体内分布，肿瘤/正常组织比值很高，在注射后40h，肿瘤的放射性摄取达到21ID%/g，明显高于肝脏、心脏、肾脏、脾脏和肌肉等正常组织。因此推测链霉亲和素作为构建肿瘤多模态显像探针的载体具有巨大的潜力。

3.2PET/MRI与SPECT/MRI双模态显像MRI的时间分辨率和空间分辨率很高，尤其是软组织分辨率高，因此在神经、骨骼、肌肉以及其他系统肿瘤的诊断方面具有优势，然而MRI的敏感性比放射性核素显像的敏感性低，因此近年来，PET或SPECT与MRI融合显像也得到越来越多的关注。有研究者将RGD肽和DOTA螯合剂联接在氧化铁（ironoxide，IO）纳米颗粒上，然后用64Cu进行标记，将新合成的纳米探针64Cu-DOTA-IO-c（RGDyK）用于荷U87MG裸鼠的PET/MRI显像，结果发现在尾静脉注射显像剂后1~21h，肿瘤对64Cu-DOTA-IO-c（RGDyK）的摄取都明显高于未联接RGD肽的64Cu-DOTA-IO；将RGD肽与64Cu-DOTA-IO-c（RGDyK）同时注射于动物体内，发现肿瘤的放射性摄取显著减低，提示64Cu-DOTA-IO-c（RGDyK）是特异性结合于肿瘤细胞的。同时T2WI显示，在注射显像剂后4h，肿瘤部位的信号明显减低，肿瘤的病理切片也显示MRI上的低信号部位有铁染色，进一步证实了MRI与PET显像结果的一致性[16]。在另一项研究中，Kim等[17]用一种肿瘤靶向分子齐墩果酸（oleanolicacid，OA）与螯合剂NOTA、氧化铁纳米颗粒（IONP）联接，并用68Ga进行标记，制成PET/MRI双模态分子探针68Ga-NOTA-OA-IONA。体外实验显示结肠癌HT29细胞能特异性摄取68Ga-NOTA-OA-IONA，同时68Ga-NOTA-OA-IONA对HT29还有一定的抑制作用。随后对荷结肠癌HT29裸鼠模型进行活体内PET和MRI显像，结果进一步证实肿瘤部位能够摄取显像剂68Ga-NOTA-OA-IONA，并且PET与MRI显像结果一致。Misri等[18]将111In标记的抗间皮素抗体（111In-mAbMB）与SPIONs结合起来，形成SPECT/MRI的双模态纳米探针。生物分布实验结果提示，内皮素阳性的A431K5肿瘤能够特异性摄取111In-mAbMB-SPIONs；MRI显像与生物分布实验结果一致，注射显像剂后肿瘤部位的信号发生了明显变化。4.3PET/MRI/NIRF与SPECT/MRI/NIRF多模态显像Xie等[19]用多巴胺修饰氧化铁纳米颗粒表面，并与人血清白蛋白相联接，然后分别用放射性核素64Cu和荧光染料Cy5.5进行标记，从而形成一种新型PET/MRI/NIFR多模态分子探针，并且用荷U87MG瘤裸鼠模型进行PET/MRI/NIFR多模态显像。NIRF显像结果显示，在注射显像剂后1h就可以清楚看到肿瘤显影，并且肿瘤的荧光强度随时间延长而增高。1h的肿瘤/肌肉比值为1.98±0.20，4h升至2.52±0.27，18h继续升高至3.08±0.28。PET显像也显示在注射后不同时间点肿瘤的摄取逐步上升；与NIRF相比，根据PET图像定量分析计算的肿瘤/肌肉比值更高，这主要是因为PET图像上的本底更低。MRI图像显示在注射显像剂后18h，肿瘤部位的信号明显下降，而且MRI显示肿瘤部位的显像剂分布不均匀。此外，在肝脏中也发现大量的显像剂聚集。Hwang等[20]报道了用钴-铁素体纳米颗粒联接AS1411适配子制备多模态纳米探针MFR-AS1411，其中AS1411能靶向定位于肿瘤细胞膜表面高度表达的核仁蛋白，用红色荧光染料罗丹明包裹该纳米颗粒，并通过螯合剂与放射性核素67Ga标记。该纳米颗粒在核仁蛋白表达阳性的C6细胞中表现出特异性的荧光信号，随着MFR-AS1411纳米颗粒浓度的增加，细胞中罗丹明荧光强度及67Ga放射性活度都随之增高。活体SPECT显像提示注射显像剂后，肿瘤部位出现特异性的摄取。活体MRI显像及离体光学显像的结果与SPECT显像结果匹配良好，在注射纳米探针前后分别对荷瘤鼠进行MRI扫描，显示肿瘤部位的信号显著增高。

4展望

以放射性核素标记纳米颗粒为基础的多模态分子新探针和多模态影像技术的开发不断提高了对肿瘤发生、发展机制研究的水平，推动了肿瘤诊断和治疗的发展，具有广阔的临床应用前景。但是目前多模态纳米分子探针还存在以下一些问题亟待解决：①纳米颗粒在肝脏、脾脏等网状内皮系统（reticuloendothelialsystem，RES）中的摄取是影响活体显像效果的主要因素，纳米颗粒的理化特征如尺寸、极性、弹性及表面电荷都会影响其在活体内的生物分布和清除。直径<6nm的球形纳米颗粒容易通过肾脏系统排出，直径4~8nm的纳米颗粒会很快被RES摄取，并通过肝胆系统排泄[21]。因此，相对较小的纳米颗粒在RES中的摄取更低，可以获得更高质量的图像。②放射性核素，特别是一些金属离子，可能会与纳米颗粒表面修饰的螯合剂或者聚合物脱离，从而导致正常器官对游离放射性核素的摄取，降低肿瘤的特异性摄取。因此在设计放射性标记多模态纳米探针时，需要考虑其在活体内的稳定性[22-23]。③为了提高分子探针在肿瘤组织中的特异性结合能力，需要谨慎地选择靶向肿瘤的成分，如多肽、抗体等。④在设计放射性核素标记多模态分子探针时，还需要认真考虑纳米探针的生物安全性，在纳米探针用于人体临床研究之前，需要深入研究其潜在毒性，一些无机的含有重金属如钆、镉的纳米颗粒已经被证实有一定的毒性，另外，一些以碳为基础的纳米颗粒也显示出一定的生物毒性[24,25]。总体而言，具有生物相容性的有机纳米材料比重金属、无机的纳米材料更适合用于人体研究。综上所述，过去十几年纳米技术和分子影像学的高速发展，为放射性核素标记多模态纳米探针的研发带来了巨大的机遇和挑战。尽管目前多模态纳米探针的设计还存在一些问题，可能还需要较长的时间才能用于临床实践，相信随着科学技术的不断进步，这些问题最终将得到解决，多模态分子影像将会为肿瘤的早期诊断和治疗提供巨大帮助。

作者：邢岩赵晋华单位：上海交通大学附属第一人民医院核医学科