分子影像进展




美国通用电气有限公司(中国)医疗系统集团 许燕 马兴荣

第一页 | 第二页

自1895年德国科学家伦琴发现X线后,以解剖结构和形态学为基础的医学影像从此诞生。以解剖结构和形态学为基础的医学影像在其100多年的发展过程中为疾病诊断、治疗效果评价和疾病预后判断中作出了巨大的贡献,并且已经成为日常临床工作的重要组成部分。在解剖结构和形态学影像中最具有代表性的就是X线平面和计算机辅助的断层图象(CT)。 但是随着人们对疾病认识的不断深入,单纯以解剖结构为基础的医学影像已经不能满足临床医学、临床前研究和基础研究的需要。人们希望在解剖结构发生变化之前就能够观察到脏器组织功能代谢的变化。为此发展出功能、代谢影像学。在功能影像中具有代表意义的是SPECT对脏器血流灌注的研究。功能、代谢影像的发展过程中临床发现它和解剖结构影像相比虽然能够较早发现疾病,但是功能、代谢影像的图象分辨率却远不如解剖结构影像。为了既能早期发现疾病,又能够准确为临床提供定位、定量、定性和定期的资料,发展出两种或多种图象融合的融合图象。其中最典型的是将具有高分辨率的X线CT和反映人体细胞、分子代谢功能的单光子发射型计算机断层仪(SPECT)有机结合在一起设备,即SPECT/CT。临床应用中融合图象在图象分辨率、诊断的特异性和灵敏度、以及研究的对象方面仍然不能满足临床需求。在临床需要、基础医学研究和医学图象处理技术的发展基础上出现了一门崭新的医学影像学:分子影像学。

分子影像是采用无创伤的影像技术在活体上从分子水平上研究细胞功能代谢以达到对疾病特异性诊断、疗效观察和制定治疗计划,或是进行新药物的研制筛选的全新的领域。她是分子生物学、化学、纳米技术、数据处理、图象处理技术等技术多学科融合的结果。分子影像研究的重点是具有活性的蛋白质(受体、酶)和基因表达,分子影像和目前的医学影像相比具有高度特异性、高灵敏度和超高图象分辨率,能够真正为临床诊断提供定位、定性、定量和定期的资料。分子影像是通过多种显像手段以达到其特异性诊断的目标。图1所示的是医学影像发展的过程和发展趋势,可以看出分子影像是今后医学影像发展的主要方向。为更好的了解分子影像,本文通过分子影像原理、关键技术,分子影像研究设备和临床应用几个方面进行讨论。


图1 医学影像发展的过程

一． 分子影像基本原理:

分子影像和分子诊断、分子治疗一起组成分子医学。分子医学的发展将会从根本上改变现有临床医学的诊断、治疗和预防的模式。由于分子影像是在蛋白质和基因水平对疾病进行研究,所以分子影像特点是将最先进的影像技术和分子生物学技术相融合,采用多种影像技术完成分子影像,它具有高度的灵敏度和特异性。

由于分子影像的目的是建立高度特异性的无创伤性的影像方法,所以它研究的重点是:

  • 探讨细胞和特异性代谢、酶、受体及基因表达, 比如受体显像、基因表达显像、抗体显像。
  • 开发最有效的药物和基因治疗方法。比如目前对肿瘤治疗研究最多的靶分子结合治疗,以达到对肿瘤的个性化治疗目的。
  • 在分子病理学的基础上评价治疗效果和预后。
  • 在细胞和分子水平上观察药物的疗效。
  • 建立分子基础上药物代谢的动力学模型。
  • 建立个性化治疗的平台。

    图2所示的是采用核磁共振技术进行分子影像研究的示意图。


    图2 MRI技术进行分子影像研究的示意图

    二．分子影像关键技术:

    分子影像的成像的原理以及采用的显像技术不同于传统的医学影像。在分子影像中最重要的的部分是分子探针,有了分子探针和相关的影像设备后就能够进行分子成像。

    1． 分子探针

    分子探针是一种特殊的分子,将该特殊分子无创伤引入体内(被称为分子探针)与细胞内特定的分子(被称为靶分子)特异性结合时产生信号,在体外可以采用PET、PET/CT、超高分辨率CT、MRI以及化学发光设备进行成像(见图3)。


    图3 分子影像成像示意图

    分子探针是分子影像成像的关键,在分子影像成像中对分子探针的要求包括:

  • 分子探针必须具有生物学兼容性,能够在人体内参与正常生理代谢过程。同时分子探针由于采用微量的探针,所以不会对人体造成任何伤害。
  • 分子探针必须能够克服体内生理屏障。人体内具有许多屏障, 比如脑屏障、血管壁、细胞膜等,分子探针必须通过这些屏障才能和特殊的靶探针结合。
  • 分子探针和靶分子结合必须具有高度的灵敏度、特异性。只有高度特异性才能达到高度特异性诊断目的。 常用小分子的探针有:和特异性配体结合的受体、生物酶,大分子探针如单克隆抗体(见图4)。


    图4 分子探针作用原理示意图

    2． 生物信号

    由于分子探针的浓度只有纳摩尔(Nanomolar)至皮摩尔(Picomolar)水平,对于PET、PET/CT和光成像在此浓度水平能够获得高质量图象。但是对于MRI来讲,即使高浓度成像其信号也非常小,需要成像前在体内及体外增强信号以获得能够接受的图象质量。表1所表示的是不同影像技术达到探测水平的阈浓度,可以看出在分子影像的诊断技术中对于MRI而言最重要的是如何提高探测的灵敏度。

    表1 不同影像技术达到影像探测水平探测浓度的阈值

    3．相关设备:分子影像按照研究对象不同可以分成临床分子影像和临床前期分子影像。对于临床分子影像设备要求和临床前期分子影像设备有着本质的区别。临床前期分子影像主要用于活体小动物无创伤成像或对生物学标本的分析,而临床分子影像设备主要用于对疾病特异性诊断、疗效观察和协助选择最佳的治疗方案。

    (1)临床前期分子影像设备:由于临床前期分子影像设备主要用于研究活体小动物,所以和临床分子影像设备相比具有:在灵敏度、空间分辨率和时间分辨率上要远远高于临床分子影像设备;设备的有效视野明显小于临床分子影像设备；适合小动物成像的特殊设施。

    随着对基因治疗、受体功能、新抗体研制和大分子结构物质代谢过程研究的不断深入,需要更多的获得在小动物活体组织上基因治疗疗效、受体功能状态、新抗体性能评价以及新药物筛选的资料,以便加速进入临床研究的过程,所以采用对小动物临床前期的研究已经成为分子影像研究的热点。目前在临床前期使用的分子影像设备主要有X线CT(Animal CT)、 光成像仪(Optical)、正电子发射计算机断层仪(Animal PET)以及磁共振成像仪(Animal MRI)。这些设备在临床前期小动物的研究中起着交叉互补的作用。

  • X线CT(Animal CT):由于使用X线CT技术,所以对脏器血流灌注、骨骼系统组织结构研究具有重要的价值。一般来讲空间分辨率可以达到50mm以下。虽然该设备无法达到对细胞、分子水平的深入研究,但是由于空间分辨率高,所以目前已经采用Animal CT和光成像设备、Animal PET设备图象融合以帮助分子影像的研究。图5是Animal CT设备外形图,图6是采用Animal CT获得的小鼠图象。CT图像本身并不是分子影像研究的范围,因分子影像具有高度特异性而缺乏高的灵敏度就需要将具有成本低但是可以提供丰富的解剖结构和形态学信息CT图像结合起来以提高诊断的准确性。


    图5 GE公司AnimalCT设备


    图6 GE公司Animal CT设备获得小鼠图象

  • 光成像设备:光成像设备具有灵敏度高、成像过程相对简单、无放射性辐射、投入相对小等优点,所以光成像系统倍受科研工作者的欢迎。光成像按照发光的区别分成化学发光和荧光发光等。化学发光是不同化学物质经过化学反应后而发光；荧光是在物质原子接受能量后处于激发态、从激发态回到基态过程常以荧光的方式释放能量。分子发光已经被广泛应用于仪器分析中,而且在仪器分析中发挥着重要的作用。但是由于临床前期研究工作需要,需要在活体动物上进行分子影像的研究,其中光成像已经是活体小动物分子影像成像的重要设备。目前光成像设备主要用于研究抗原和抗体结合、转基因以及基因表达的研究中。由于设备相对简单、成像过程快,所以光成像设备是临床前期分子影像设备重要组成部分。图7是光成像设备图象和采用该设备获得的荧光图象和Animal CT设备进行图象融合。光分子影像目前比较局限对于一些浅表部位模型的研究中。


    图7 光成像设备和获得的光图象

  • Animal PET:由于放射性正电子核素能够非常容易标记大分子化合物、生物酶、受体以及参与DNA、RNA和蛋白质合成的前体,并且发射的g受组织深度的影像较少、具有较高的系统分辨率等,Animal PET已经被广泛应用到活体小动物的研究中。Animal PET和其它影像设备最大的区别是必须具有放射性的正电子药物,如下图8,9所示的是为Animal PET和PET显像所使用的正电子放射性药物。


    图8 活体小动物PET及图象处理系统

    化学合成系统,该系统能够自动合成研究所需的各种正电子放射性药物。有了正电子放射性药物和Animal PET设备就能够进行各种分子影像成像研究。图10、11、12 分别是采用小动物进行基因表达、受体显像和单克隆抗体显像的图象。


    图9 正电子放射性药物化学合成系统


    图10所显示的是采用I-124I FIAU基因表达图象。


    图11是猴脑11C-Raclopride多巴胺受体显像图象


    图12是采用64Cu标记抗体在小鼠上进行抗体显像的图象

  • Animal MRI:Animal MRI在活体小动物研究中同样具有重要的作用。采用Animal MRI和磁共振波谱分析能够获得N-乙酰天门冬氨酸盐、乳酸盐、谷氨酸盐、g氨基丁酸、胆碱、磷脂和肌酐分子的信息,所以对一些疾病的病理生理过程的研究具有重要的价值。但是Animal MRI的研究仅限制于研究变动的磁性化合物,由于神经受体通常不变动,所以对神经受体的研究仍需要采用Animal PET设备进行。图所显示的是采用Animal MRI进行血管生成研究的图象。采用Gd标记的多肽类进行显像。图13所显示的是采用Animal MRI进行肿瘤血管生成研究的图象,图13从左到右分别是注射特殊造影剂后0,4,8,16小时肿瘤部位图象。目前Animal MRI在分子影像研究还落后于Animal PET,这主要是Animal MRI中能够使用的探针太少的原因。


    图13 Animal MRI小鼠肿瘤模型研究表


    表2 四种成像设备分辨率的比较

    (2)临床前期研究设备在应用中的选择:表2所示CT、光成像、PET、常规核医学ECT、MRI以及MRS成像设备空间、时间分辨率和检测体内分子的灵敏度度。我们可以看出MRI在空间和时间分辨率明显优于PET,但是检测灵敏度却不如PET。光成像设备介于PET和MRI之间。从设备成本上来看光成像设备和CT设备成本和 MRI、PET相比之下要低于MRI和PET。

    表3和图14所示的是临床前期分子影像设备在实际研究中的应用。可以看出PET在分子影像的研究中发挥着重要的作用。这主要是PET设备具有更多的正电子放射性药物供临床使用及临床前期的研究。

    图14 不同设备在分子影像研究中的作用

    目前由于临床使用分子影像设备分辨率改进和灵敏度不断提高,以前对于猴、兔等小动物研究必须采用MicroPET、MicroMRI等的设备现在已经完全可以在临床使用的设备上完成。现在的临床研究设备已经主要集中在裸鼠动物模型设备上。但是裸鼠动物模型研究需要更高的灵敏度和系统分辨率,这也是对临床前期研究影像设备的极大挑战。

    (3)临床分子影像设备:临床分子影像研究的目的是为了达到对疾病的预防、早期特异性诊断、采用特异性药物(包括基因)进行准确的治疗以及疗效的观察。所以在临床上目前进行分子影像显像的主要是PET/CT、PET和MRI设备。对于PET和PET/CT设备,由于单纯PET设备检查速度慢、图象分辨率比PET/CT低、而且无法进行解剖结构定位,所以目前主要采用PET/CT进行分子影像成像。

  • PET/CT:PET/CT是将CT图象的高分辨率和PET图象高灵敏度有机融合在一起的产物,她并不是将PET和CT简单相加。PET具有高的灵敏度,如果采用特异性的正电子放射性药物比如18F-FES(雌激素受体显像剂)或18F- FDHT标记雄激素可以进行乳腺癌或者前列腺癌显像。但是PET图象的空间分辨率和时间分辨率却远远不如CT。只有将PET和高分辨率的CT有机的结合在一起成为PET/CT才能真正的为分子影像服务。所以对临床分子影像而言在特异性显像的基础上对病变精确定位应当受到重视。目前在临床上PET/CT已经被广泛的应用到肿瘤诊断、治疗和疗效观察,心脏和神经系统疾病的诊断。


    图15 GE公司最先进的Discovery ST PET/CT

  • MRI:磁共振是在外加磁场的作用下,正在旋转的某些原子核发出一定频率的电磁波,如果用适当的射频电流从与主磁场相垂直的方向上对旋转的原子核进行激励,则其旋进的角度增大；如果撤除激励电流,原子则要逐回到原始状态,并发射出与激励频率相同的信号,通过在体外接受从体内发射的信号进行成像这就是MRI(Magnetic Resonance Imaging)图象。由于MRI目前主要是采用质子成像,所以在分子影像中更重视磁共振波谱分析(MRI Spectroscopy, MRS),因为MRS提供了无创伤研究人体组织生物化学分析的功能。MRS除了提供1H原子的分布外,也提供31P、32Na、K、19F或Li。采用MRS能够对脏器或脏器局部组织进行生物化学成分的分析,为临床特异性诊断提供重要的信息。图16是GE公司MRI设备图象,采用该设备能够进行MRI和MRS成像。


    图16 GE MRI设备外形图象