分子成像技術在腫瘤診療中的應用進展

趙調紅 逯濤峰 陳圓圓 路如霞 趙源旭 劉會玲

1.甘肅中醫(yī)藥大學第一臨床醫(yī)學院，甘肅蘭州 730000；2.甘肅省人民醫(yī)院婦科，甘肅蘭州 730000

近年來，腫瘤治療雖然取得不錯的進展，患者預后得以改善，但對一些復雜類型的腫瘤，其治療效果并不理想，且無法治愈。因此對腫瘤治療而言，分子成像技術指導的靶向治療是當前最重要的療法。分子成像技術作為一種非侵入性方式以評估小動物活體狀態(tài)下的病理生理過程，可在活體狀態(tài)下對生物體內的細胞和亞細胞進行可視化和量化分析。此外，針對特定分子靶標的新型藥物開發(fā)已成為前沿，分子成像技術旨在增加對癌細胞的選擇性毒性，降低治療耐藥性的可能，并降低與化療相關的不良反應，促進新型抗癌藥物的治療活性和抗腫瘤功效的研究?；谝陨咸攸c，分子成像可從分子水平上更早地診斷腫瘤及監(jiān)測其發(fā)生、發(fā)展進程等，為腫瘤的診治提供新線索和思路。

1 成像方式及特點

1999 年，美國哈佛大學教授Weissleder提出分子影像學（molecular imaging）的概念。在腫瘤研究中，人們普遍認為分子影像學是精準醫(yī)學的基礎，它可提供獨特的信息指導精準腫瘤學，包括測量治療靶點的區(qū)域表達、藥代動力學、藥效學及確定治療目標和選擇可能受益于治療的患者等。應用特異性分子探針以追蹤靶標并成像，可廣義地定義為在細胞和分子水平上對生物過程進行體內表征和測量。與傳統(tǒng)診斷成像不同的是，分子影像學主要探討疾病基礎的分子異常。目前，分子成像技術主要包括放射性核素成像、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、超聲成像、生物發(fā)光成像（bioluminescence imaging，BLI）和近紅外熒光（near–infrared fluorescence，NIRF）成像等。不同成像方式比較見表1。

表1 不同成像方式比較

2 放射性核素成像

放射性核素成像是根據放射性元素示蹤原理，利用放射性元素標記研究對象，研究其在體內代謝分布的特殊規(guī)律，并從體外獲取臟器或組織功能、結構的核醫(yī)學技術，它主要包括正電子發(fā)射斷層顯像（positron emission tomography，PET）、單光子發(fā)射計算機斷層掃描（single photon emission computed tomography，SPECT）兩種方式。

2.1 PET

PET 測量的是生化功能而不是結構，從本質上來講，它用γ 放射性同位素標記氟代脫氧葡萄糖（2–F fluoro–2–deoxy–D–glucose，FDG），并將制備的分子探針注入體內，監(jiān)測其攝取和代謝情況，其機制是腫瘤細胞比正常組織具有更高的FDG 攝取能力和代謝，最常見的探針是F–FDG，其攝取表明FDG 代謝的高低，因此與惡性腫瘤相關的糖酵解增強，能夠區(qū)分惡性組織和良性組織。

目前已有研究利用PET 探討癌癥的治療方法。Liu 等利用F–FES PET/CT 對新診斷出的雌激素受體陽性乳腺癌患者的分期進行研究，對診斷不明確的分期病變指導臨床診療；另外，Diaz 等用PET評估人表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR）酪氨酸激酶抑制劑拉帕替尼對非小細胞肺癌裸鼠腫瘤活性的影響。Smarma 等用Cu對抗CA125 MAb 和scFv 進行放射性標記，用于卵巢癌CA125 的靶向體內分子成像。PET 在評估腫瘤分期、治療效果等方面有一定的價值，但在活體成像方面，由于設備昂貴，多數研究者使用較少。

2.2 SPE/CT

SPE/CT 成像可獲得微量示蹤分子的圖像，其成像特點是標記生物分子的放射性同位素能發(fā)出一種或多種帶有能量的γ 射線，同時監(jiān)測多個探針，被不同放射性同位素標記的生物分子可在同一個活體動物中被區(qū)分；相反，SPE/CT 的靈敏度比PET 低10～100倍，成本低于PET，這使其在臨床實踐中更容易使用。

在腫瘤轉移靶向治療中，Tc 標記的成纖維細胞活化蛋白（fibroblast activation protein，FAP）抑制劑（Tc–FAPI–19）顯示出與重組FAP 表達細胞的特異性結合，通過SPE/CT 成像可實現腫瘤放射性靶向治療。在腫瘤的藥物研究中，Tc 標記的納米粒子，用于SPE/CT–MRI 雙模態(tài)成像，這些納米探針可為腫瘤治療提供抗癌藥物，實現將雙模態(tài)成像與抗癌治療特性相結合的納米治療醫(yī)學。在乳腺癌骨轉移成像中，SPE/CT 識別骨骼受累和相關并發(fā)癥，對治療反應評估顯示出巨大優(yōu)勢，在檢測溶解性和硬化性病變及區(qū)分良性和惡性骨骼方面具有很高的靈敏性。

3 MRI

MRI 是一種非侵入性技術，它具有多方位、多參數、無電/離輻射、軟組織分辨率高等優(yōu)點。在動態(tài)對比增強 MRI（dynamic contrast–enhanced magnetic resonance imaging，DCE–MRI）中，靜脈注射造影劑（contrast agent，CA），并在幾分鐘內記錄多幅圖像以研究器官或腫瘤中CA 的攝取，能夠定量研究腫瘤微血管和微循環(huán)的結構和功能，為改善腫瘤診斷、個體化治療提供廣闊前景。

近年來，DCE–MRI 已被用于評估腫瘤血管生成，且具有助力研究抗血管生成和血管破壞療法的潛力；此外，DCE–MRI 可通過Tofts 藥代動力學模型分析局部晚期宮頸癌生物標志物，從乳腺DCE–MRI 腫瘤內亞區(qū)域提取的紋理特征可作為乳腺良惡性腫瘤鑒別診斷的影像標志物。

4 超聲成像

超聲成像借助由脈沖換能器生成并由信號處理軟件集成的＞20000Hz 的聲波來生成灰度圖像。Foster等報道第1 個專門用于小鼠顯微成像的高頻超聲成像系統(tǒng)（high–frequency ultrasound，HF–US），并指出它具有成本低、成像速度快、便攜和高分辨率且無電離輻射的優(yōu)點；除了解剖成像，超聲成像還適用于多普勒超聲或超聲造影劑進行功能成像，允許對腫瘤血流灌注及腫瘤血管生成進行定性和定量評估。

4.1 HF–US 解剖成像

在臨床前腫瘤成像方面，超聲成像顯示出高分辨率和低成本優(yōu)勢。HF–US 用于早期蕈樣肉芽腫與炎癥性皮膚病鑒別診斷，具有潛在的臨床價值；在結腸癌荷瘤鼠模型中，超聲成像夠重復且準確地測量小鼠結腸壁的厚度，了解其解剖結構，并確定其病變范圍；為研究腹主動脈瘤的形成和發(fā)展機制，HF–US 可用于獲取小鼠的腹主動脈瘤二維圖像。由此可見，HF–US 并非在所有的解剖成像中均是適用的，但超聲不能透過骨骼，因此超聲成像不適合用于分析腦和骨腫瘤。

4.2 HF–US 功能成像

HF–US 功能成像主要通過多普勒超聲或添加超聲造影劑或微泡，測量腫瘤血管和血管體積，以提供與血管生成相關的臨床信息。近年來，腫瘤抗血管生成療法的發(fā)展及對抗腫瘤藥物藥效學監(jiān)測檢查方式的需求，HF–US 在功能成像中的作用愈發(fā)重要。多普勒超聲主要通過多普勒頻譜檢測血流，使用3D能量多普勒超聲（3D power doppler ultrasound，3D PD–US）監(jiān)測妊娠中期的整個胎盤灌注，對所有測量的參數、實驗的可重復性均可行，證明此項技術的可行性。3D PD–US 還可用于評估前列腺癌轉基因小鼠（genetically engineered mouse，GEM）模型中的功能性新血管生成及監(jiān)測抗血管生成治療效果。然而，PD–US 在以上成像中存在一些局限，如偽影的形成使得檢測流動速度較慢的血流成為困難，這在評估腫瘤血流中很重要。

4.3 超聲介導微泡的靶向成像

另外，在腫瘤藥理學研究中，微泡首先被開發(fā)作為超聲成像的造影劑，用作藥物的輸送載體，通過超聲波以一定的輻射能量破壞載藥微泡，從而使按需釋放的藥物能夠遞送到目標組織中；研究發(fā)現，超聲介導下多柔比星納米微泡可抑制乳腺癌移植瘤生長并延長小鼠生存期，且對小鼠重要器官的損傷較小，實現藥物靶向遞送；Nesbitt 等將生物素功能化的吉西他濱與攜氧微泡聯合作為胰腺癌靶向治療，可顯著降低胰腺癌細胞的活力，并降低化療相關的不良反應；白蛋白紫杉醇跨越血腦屏障通過超聲介導的微泡遞送，用該方法可顯著提高紫杉醇的腦濃度，是治療神經膠質瘤可行且有效的方法。綜上表明，超聲聯合微泡介導的抗腫瘤藥物在癌癥治療中擁有廣闊的應用前景。

5 BLI

生物發(fā)光成像技術（bioluminescence imaging，BLI）是一種監(jiān)測體內細胞繁殖和遷徙的高度靈敏技術，該技術依賴活體細胞或組織發(fā)出的光子，其代表性成像模式是熒光素酶報告系統(tǒng)，將熒光素酶報告基因插入到腫瘤特異性表達的目的基因啟動子上，根據熒光素酶的表達情況追蹤某一細胞或蛋白的轉錄活性，另外一種方法是將熒光素酶的cDNA克隆于靶基因位點上來監(jiān)測基因表達。BLI 的研究與應用主要有以下幾個方面：

5.1 藥理學研究成像

由于腫瘤分子靶向治療的發(fā)展，BLI 為抗腫瘤藥物的毒副作用和藥理學提供了研究基礎；藥理學研究最終結果是毒副作用小并在體內有良好的分布，螢火蟲螢光素酶和螢光素的組合已成功應用于全身成像，I 標記D–螢光素，證明螢光素酶的底物特性，并研究其細胞攝取動力學和體內生物分布，在骨、心臟和骨骼肌組織中的分布相對較少（＜3%），而其在腦中的分布＜0.5%，但I 可能影響螢光素的整個生物分布；此外，使用Caspase–3 激活螢光素酶報告基因來證明5–氟尿嘧啶與腫瘤壞死因子α 相關的凋亡誘導配體聯合治療可增強體內細胞凋亡活性，顯示更強的抗腫瘤作用；目前，BLI 已被廣泛用于監(jiān)測腫瘤的生長和轉移、細菌或病毒的感染進展、移植、轉基因表達和基因治療，并解決組織分析和廣泛的藥代動力學等問題。

5.2 腫瘤缺氧和抗血管生成的成像

已有研究表明，腫瘤缺氧與較差的臨床預后和腫瘤進展有關，低氧誘導的主要轉錄因子之一是缺氧誘導因子1，它與缺氧反應元件（hypoxia response element，HRE）結合可以上調多種基因的表達。Lehmann 等設計了HRE 驅動的熒光素酶報告基因，通過體外穩(wěn)定表達后建立腫瘤模型，用于縱向體內成像；其次，缺氧還刺激血管內皮生長因子的分泌并促進血管生成，增加腫瘤細胞的供氧。Sanz 等將人臍靜脈內皮細胞（human umbilical vein endothelial cell，HUVEC）和人間充質干細胞（human mesenchymal stem cells，HMSC）植入免疫缺陷小鼠體內，并監(jiān)測螢火蟲熒光素酶發(fā)光強度量化血管生成，結果表明，HSMC 和HUVEC 均顯示穩(wěn)定的發(fā)光信號，然而，在使用血管內皮生長因子受體（vascular endothelial growth factor receptor，VEGFR）酪氨酸激酶抑制劑2周后，使用PET 觀察到其信號顯著下降。事實證明，BLI 在評估藥物抗血管生成治療中有重要作用。

5.3 活體細胞可視化成像

遺傳或基因突變引起的細胞持續(xù)增殖會導致癌癥的發(fā)生，BLI 提供了一種實時、動態(tài)監(jiān)測技術。已有研究表明，通過調控細胞周期、凋亡相關轉錄因子（E2 Ftranscription factor 1，E2F1）并構建E2F1啟動子控制下表達熒光素酶基因的轉基因小鼠，將其與人神經膠質瘤轉基因小鼠雜交建立少突膠質細胞瘤模型，使用BLI 監(jiān)測腫瘤細胞的增殖活性；另外，Conway 等研究表明，當擴充細菌熒光素酶的作用以（20～30）:1 的比例過表達時，能夠在多功能干細胞和間充質干細胞中實現連續(xù)或可誘導的生物發(fā)光，為干細胞的研究提供一種新工具。其次，BLI 在T 細胞研究中應用也有重要作用。研究發(fā)現，表達熒光素酶的T 細胞在評估其功能和監(jiān)測抗腫瘤效果中發(fā)揮重要作用。

5.4 腫瘤相關炎癥成像

研究表明，腫瘤相關炎癥與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展相關，炎癥介質會破壞機體免疫系統(tǒng)，改變腫瘤微環(huán)境及相關信號通路，從而促進腫瘤進展。2015年，Hayashi 等使用細菌人工染色體（Bacterial artificial chromosome，BAC）克隆生成一個高度敏感的炎癥監(jiān)測小鼠系統(tǒng)，其中包含人類白細胞介素–6（Interleukin–6，rhIL–6）基因，并整合入螢光素酶報告基因中，進行體內實時監(jiān)測多種不同疾病模型中的炎癥狀態(tài)；同時為區(qū)分腫瘤與炎性疾病，2021年的一項研究選擇40 例疑似脊髓腫瘤病變不明確的患者，通過彌散張量成像技術在中央病變區(qū)域、病變邊緣、水腫和正常脊髓區(qū)域評估DTI 指標各向異性指數（fractional anisotropy，FA）和表觀彌散系數（apparent dispersion coefficient，ADC）比值（FA/ADC），FA 和ADC 可以分離炎性病變，避免對髓內腫瘤病變不明確的患者進行不必要的手術。目前關于腫瘤相關炎癥可視化成像的研究尚少，通過BLI 可視化追蹤腫瘤細胞激活與轉化、炎癥和腫瘤發(fā)生的相關性仍是未來研究的重點。

6 NIRF成像

腫瘤靶向治療和近紅外熒光（infrared fluorescence，NIRF）成像的多功能藥物預計將對未來的個體化腫瘤治療產生重大影響，它很大程度上依賴穩(wěn)定且高度特異性的熒光蛋白來修飾目標細胞或其他生物分子，NIRF 成像有較低的自發(fā)熒光、深組織穿透力及具有同時監(jiān)測同一細胞或腫瘤模型的多個研究目標的優(yōu)勢。NIRF 成像的研究與應用主要有以下幾個方面：

6.1 腫瘤免疫治療成像

抗體是由B 細胞產生的蛋白質，它可與抗原特異性結合激活體內的免疫系統(tǒng)來抵抗病原體的侵入。單克隆抗體治療腫瘤的方法逐漸被應用于臨床，近紅外熒光基團標記的治療性抗體在細胞、組織或器官水平的分布對了解其生物學特性極其重要。Cho 等將靶向CD38 的高親和力單克隆抗體（daratumumab，DARA）與美登素衍生物（mertansine，DM1）綴合形成抗體–藥物偶聯物（antibody–drug conjugate，ADC），結果發(fā)現，DM1 不僅增強DARA的抗腫瘤效果，而且可加強腫瘤對ADC 的攝取能力及靶向腫瘤的能力，使得CD38 有望成為下一個腫瘤治療靶點。Conner 等將NIRF 成像與傳統(tǒng)放射性標記方法相比，使用美國食品藥品監(jiān)督管理局批準的IR800 標記單克隆抗體，監(jiān)測其組織和血漿藥代動力學，發(fā)現近紅外熒光基團標記后的綴合物可顯著改變單克隆抗體的血漿藥代動力學和組織分布。其次，已經開發(fā)的小分子NIRF 熒光基團可標記一些免疫細胞，包括T 細胞、B 細胞、巨噬細胞等，然后靶向癌細胞并最終在癌癥免疫治療中發(fā)揮關鍵作用。

6.2 淋巴結成像

在手術過程中，NIRF 成像用于前哨淋巴結（sentinel lymph node，SLN）有助于指導腫瘤的切除范圍，為腫瘤患者指導下一步的輔助治療方案提供有關信息。為評估子宮內膜癌盆腔淋巴結受累情況，有研究指出吲哚菁綠作為示蹤劑對SLN 成像，可增加SLN 的檢出率。此外，用螢火蟲熒光素酶改造后的Hela 細胞建立宮頸癌SLN 轉移模型，發(fā)現負載ICG 的TMTP1–PEG–PLGA 膠束（ICG–loaded TMTP1–PEG–PLGA micelles，ITM）在腫瘤轉移性SLN 中特異性積累，可成功將其與正常SLN 區(qū)分，為宮頸癌提供實時術中指導。

6.3 關節(jié)炎成像

NIRF 成像在監(jiān)測風濕性關節(jié)炎和類風濕關節(jié)炎的治療反應和藥物劑量、評估臨床結果、開發(fā)特效藥方面有重要作用。Wunder 等使用蛋白酶激活的NIRF 成像“智能”探針，在甲氨蝶呤（methotrexate，MTX）治療后通過熒光成像和組織學檢查小鼠關節(jié)炎中熒光的分布和積累，以此來監(jiān)測MTX 等抗風濕藥對關節(jié)炎的治療效果。另外一項研究表明，蛋白酶激活的NIRF 通過量化患病關節(jié)中的核因子–κB（nuclear factor–k–gene–binding，NF–κB）活性來評估關節(jié)中活性蛋白酶的數量，從而評估IKK–2 抑制劑（ML120B）對關節(jié)炎的治療效果。

6.4 動脈粥樣硬化成像

泡沫巨噬細胞在動脈粥樣硬化斑塊的聚集可加快疾病的發(fā)生和演變，精確的斑塊成像可促進血管病變的預防和治療，目前斑塊MRI 由于灌注不足和動脈周圍淋巴結的干擾，使斑塊成像受到一定的限制。因此，設計一種負載NIRF 染料（IR820）的新型磁性介孔二氧化硅納米顆粒，可特異性地靶向動脈粥樣硬化斑塊中的巨噬細胞，為將來識別巨噬細胞斑塊的造影劑奠定基礎。其次，一些蛋白酶（如組織蛋白酶、基質金屬蛋白酶等）在動脈粥樣硬化病變中高表達，Cy5.5 熒光染料與基質金屬蛋白酶的特定底物連接，形成由酶激活的智能探針，然后，該探針用于監(jiān)測動物模型中動脈粥樣硬化斑塊中基質金屬蛋白酶的活性。

7 展望

分子成像技術是目前用于評估臨床前癌癥藥理學研究中的藥物療效和安全性的重要方法，與傳統(tǒng)成像方式相比，其具有無創(chuàng)、無輻射、性價比高、分辨率高、操作簡單等優(yōu)點，在生物科學領域具有廣闊的應用前景；隨著該技術的發(fā)展，人們在分子、細胞、組織和個體水平上對腫瘤的發(fā)生、發(fā)展有了更深入的認識，且在監(jiān)測或預測治療反應的能力方面取得重大進展。目前，最有希望的是通過分子成像技術與其他成像方法組合，發(fā)揮多模態(tài)、多功能成像的優(yōu)勢；其次，將分子成像技術與納米技術相結合，克服常規(guī)有機染料的親水性和光穩(wěn)定性差、量子產率低、在生物系統(tǒng)中穩(wěn)定性不足、檢測靈敏度低等一些局限性，對腫瘤治療反應進行評估，以更深入、更好地將治療方法轉化為臨床。