磁共振分子成像技术：锋芒初露的解读生命科学利器

薛华丹，金征宇

分子影像学(molecular imaging, MI)是随着影像医学与分子生物学等学科的发展和相互融合而形成的新的研究领域，最早于1999年由美国哈佛大学Ralph Weissleder教授提出，广义定义为应用影像学的方法对活体状态下的生物过程进行细胞和分子水平的定性和定量研究[1]。与传统的临床影像方法相比，它更注重探测疾病分子水平的异常，而不是这些分子改变的最终结果的成像。进行分子影像学研究需要高灵敏度的成像设备，能够定量检测与靶目标结合的皮米或纳米级探针，而靶目标(如受体)的表达量通常很低，高水平表达(每个细胞大于106)的受体浓度最多也只在1015/ml微摩尔范围内[2]。因此，作为高敏感性的成像模态，核医学技术(PET和SPECT)一直走在分子成像的前列。临床上现已使用检测高糖代谢的分子探针(FDG)。此外，磁共振、光学以及超声成像也是目前最为常用的分子影像学技术，其中磁共振分子显像研究近年来备受关注。

1 磁共振分子成像概念

MRI在临床疾病的诊治中一直扮演着重要的角色，尤其近年来磁共振技术发展迅速，不仅广泛用于人体各系统的解剖成像、疾病诊断，更已悄然进入分子影像、功能成像时代。磁共振分子成像技术(molecular magnetic resonance imaging, mMRI)是以特殊分子作为成像依据，定性和/或定量研究生物组织内基因表达、代谢活性高低及细胞内生物活动状态等结构及功能变化的生理过程，将非特异性物理成像转为特异性分子成像，进而能在活体状态下监测病变发展过程，研究病理机制，在基因治疗后、表型改变前评价治疗的早期效能， 所以评价疾病的指标更加完善和具备特异性，可提供较传统的组织学检查更立体、快速的三维信息[3]。广义的磁共振分子成像范畴除包括标记靶分子成像、报告基因成像外尚包括DWI、PWI及MRS。目前磁共振分子成像技术还处于其发展的初级阶段，但它在临床医学和基础研究中都具有非常广阔的应用前景。

2 磁共振分子成像技术原理

磁共振分子成像技术的基本原理如下：将遗传基因信息、生物化学与新的成像探针综合输入活体组织细胞内，用它标记所研究的“靶点”，再利用磁共振分子成像技术探测分子探针发出的信息，或采用特殊技术(如MRS)特定标记与生化代谢相关的化合物，经一系列图像后处理技术生成活体组织的分子图像、功能代谢图像或基因转变图像，从而对疾病进行亚临床期的诊断和治疗。

进行活体内磁共振分子成像技术需满足三个基本条件：(1)高特异性分子探针，(2)生物信号放大技术，(3)灵敏、快速获取高分辨率图像的探测系统。小分子、高亲和力的可激活探针，生物信号放大等关键问题对于分子水平的磁共振成像尤为重要[4-6]。

3 分子探针与靶向对比剂

分子探针(molecular probe)是一种能与活体细胞内某一靶向目标特异性结合，可以检测其结构、性质并能产生信号，在原位及体内实时被特定的设备监测的一种分子结构。分子探针具有扩增能力，能够在一定程度上将需要探测的信号进行放大便于成像。分子探针的要求是：分子量要小，与靶目标有高度的亲和力，能迅速穿过生物代谢屏障，如血管、间叶组织及细胞膜，半衰期长，不能被机体迅速代谢等[7]。

MR分子探针必须具备与靶组织的高度亲和力，能与体内组织细胞特异性结合，且能被MRI探测到对比剂或标记物部分。将传统MRI对比剂做成分子探针的信号组件，可以通过转运体与靶向性亲和组件相连，从而靶向性导入表达特异性靶分子的组织和细胞中，达到对比增强的效果。转运体可以是微粒(脂质体、乳剂)、纳米高分子、病毒构建体、多聚体、氟碳乳剂等。靶向性的亲和组件可以直接偶联在转运体上，这些亲和组件包括小分子多肽类似物、单克隆抗体、重组蛋白、抗体片段、糖及新近应用的核酸适体等。

常用的MRI分子探针主要有两类[8,9]：一类是以钆为基础的顺磁性分子探针, 能产生T1阳性信号对比，有镧螯合剂和钆-DTPA及其衍生物。现有研究已证实钆为基础的可激活探针进行基因表达成像的可行性。但由于以钆为基础的顺磁性分子探针在分子水平成像时所需要的浓度较高，技术难度大，且存在一定程度的毒性作用，故应用较少；另一类是以氧化铁为基础的超顺磁性分子探针，能产生T2阴性信号对比，可以为单晶体, 也可以是涂有多糖的多晶体。目前常用的是超顺磁性氧化铁颗粒(superparamagnetic iron oxide, SPIO)、超小顺磁性氧化铁颗粒(ultrasmall superparamagnetic iron oxide,USPIO)和单晶体氧化铁颗粒(monocrystalline iron oxide nanocompounds, MION)，其特点是颗粒小、穿透性强且弛豫率约为同样条件下Gd的7～10倍, 即在很低浓度条件下就可在MRI上形成对比,同时具有生物可降解性,被细胞代谢后可进入正常血浆铁池，安全性高，实验室研究结果也表明超顺磁性物质转染后标记的细胞不存在近期和远期毒副作用,是一种安全、有效、特异性高的分子探针，因此被广泛应用于磁共振分子成像中。

此外，一些可激活探针也逐渐引起人们的兴趣，这种可激活探针能够对周围环境产生反应，如：pH，温度，金属离子，蛋白质或酶，核酸，代谢产物等，通过改变分子结构来达到差别对比。

近年来，由于多模态影像技术的飞速发展，多功能分子探针成为分子影像研究领域中的热点[10,11]。这种探针结合了MR和其他成像方式的优点。美国Stanford大学医学院新近研制出一种结合PET和MRI的双功能分子探针：放射性核素64Cu(半衰期为12.7h)标记的RGD-PASP-IO，并在动物模型体内验证了这种探针对肿瘤表达整合素αvβ3PET/MRI成像的特异性和有效性[12]。这种多模态的设计理念已经成为小动物在体成像的技术潮流，并有更多相关的分子影像技术纳入这一体系。

4 磁共振分子成像基本技术

通常依据不同的成像对比剂，磁共振分子成像采用不同的扫描序列。一般包括T1WI、T2WI、T2*map序列和T2map序列。对于以氧化铁为基础的分子探针，国内外均普遍测量组织的T2*值或T2值。SE序列是临床检测组织T2值的首选序列，在保持TR等其他参数不变的情况下，增加多组TE值，一般为6～8组，如果图像中每个像素在不同TE上的信号强度与组织T2弛豫的指数曲线是一致的，该曲线的特性可以用于组织T2值的测量。现在部分MRI设备上，安装有T2值测量和计算软件，当SE序列选用多个TE，调用该软件可以自动计算每个像素的T2值，并可自动生成T2值图(T2 map)。

由于T2*值可以更灵敏地反应组织内磁敏感性的改变，近年来组织T2*值的测量日益受到重视，其采用扰相GRE序列，在该序列上保持TR、脉冲偏转角等信息参数不变，采用2个以上的TE获得2组以上的图像，测量不同TE图像上组织的信号强度，计算组织的T2*值。在GE公司的设备上目前有一个研究版本软件，专门用于组织T2*值的测量，可合成T2*图(单位为毫秒)或R2*图(R2*也称为T2*弛豫率，R2*=1/T2*，单位为Hz)。

5 磁共振分子成像技术的应用概况

磁共振分子影像学目前主要应用在基础研究领域(除外DWI、PWI、MRS临床已常规应用技术)，由于受到学科现有技术水平和法律法规的限制，临床前及临床实验很少开展。即使如此，磁共振分子影像学仍显示出了很好的应用前景，其在基因显像、血管生成、疾病的早期诊断、疗效评估、细胞示踪及药物筛选等方面已取得了令人振奋的成果。

5.1 基因表达与基因治疗成像

在临床医学研究领域中，基因治疗被认为是最具潜力、最可能发生革命性变化的领域，基因转染和表达是其中的主要技术手段。应用磁共振报告基因成像可将目的基因和报告基因整合在一起，通过监测报告基因来判断目的基因的存在情况。在以MR为成像方法的报告基因技术中，第1类标记基因编码产物为酶类，包括酪氨酸酶、β-半乳糖苷酶、胞嘧啶脱氨酶、精氨酸激酶、肌酸酐激酶。这种方法开发了特定酶修改成像药物前体(prodrugs)的能力，即将探针(含酶底物)修饰成药物前体，经特定的酶催化，将药物释放出来，通过药物在组织中的积聚反映出目的基因的表达。第2类标记基因编码产物为受体，主要为转铁蛋白受体，通过转铁蛋白受体探针进行探测。

磁共振基因成像技术是继核素基因显像之后出现的新的无创性技术，其突出的特点是具有更高的空间分辨率(spatial resolution)，可反复动态观察，且能同时获得生理与解剖信息，因而多应用于基因传递、基因表达及基因疗效监测中[13]。其潜在应用包括：①示踪载体(包括载体干细胞)，显示载体的分布情况；②明确转染的目的基因是否在靶器官成功表达；③定位靶组织内的基因分布是否合适；④评估靶细胞的基因表达水平及持续时间，追踪能否遗传等。另外，它的应用将增加对基因转染过程的了解，这对基因治疗的发展和完善极为重要。

5.2 分子水平定量评价肿瘤的血管生成

目前，监测肿瘤血管生成最引人注目的方法是以与肿瘤血管生成密切相关的新生血管内皮细胞的表达物为靶目标进行成像。常用的有以VEGF、整合素αvβ3为成像靶点的MR分子成像。如将对比剂与整合素αvβ3单抗拼接后，可与整合素αvβ3结合，进而将新生血管与原有宿主血管分开，定量分析新生血管的结构和功能情况[14,15]。另一方面，由于肿瘤血管生成过程中伴随某些特征性标记物水平上调，通过与这些标记物特异性结合，从而进行外源性基因的表达成像。Kayyem等[16]合成了一种耦联多聚赖氨酸的特殊配体分子，两端分别连接治疗基因和MR对比剂，可与细胞表面受体或抗原特异性结合，把所连接的治疗基因、MR对比剂同时导入到特定细胞内，通过MR的强化程度即可直接判断目的基因的转染情况。目前，上述特异性对比剂如钆离子标记的多聚脂质体已经接近临床应用。

因此，MR分子成像技术可以定量分析新生血管的生成、结构和功能情况，还可监测血管生成抑制因子及刺激因子在时间及空间上的分布。另外，经过修饰后的特异性对比剂还可转变成具有治疗功能的物质，使治疗和诊断合二为一。

5.3 疾病早期诊断、疗效监测

目前临床对疾病的影像学诊断是以大体病理改变为基础的，发现时往往是疾病的终末期。磁共振分子成像技术实现了在分子水平检测病变，从而真正达到了早期诊断、早期治疗的目的。同时应用分子影像学技术在治疗极早期就可以反映出治疗的效果，从而对治疗方案进行准确评估[17]。

5.4 细胞示踪

细胞治疗是现代医学治疗技术的重要组成部分。细胞治疗广泛开展后，如何无创性在活体内动态监测细胞的迁移、生存状态一直是困扰医学科研工作者的难题，也是近几年研究工作的热点。能否在细胞分子水平对活体细胞的分布、增殖、迁徙进行评价是影响治疗成败的关键因素。

在基础研究中，MR示踪剂的有效时间长，可以实时、无创、连续多次观察细胞的动态迁徙过程，且空间、时间分辨率高，对比度好，故在活体细胞的示踪中有良好的前景[18,19]。与常规体外和细胞培养技术相比具有明显优势，磁共振分子成像技术为细胞示踪术的发展提供了充足的技术保障和良好的研究平台，从而开创了分子影像学与细胞治疗相结合的新局面。

5.5 药物研究

磁共振分子成像技术对药物的临床前研究发挥重大作用。在药物研发早期，将标记的受试药物取微克量注入到动物体内，利用分子影像学技术就可以监测药物在动物体内的分布情况，判断该药物是否能够准确到达靶区，对药物的药代动力学和药效动力学特征进行系统评测[20]，从而提高药物临床前安全性评价的可参考价值，提供更为可靠的依据。同时，还可以极大加快药物的研发速度，缩短预临床研究时间，减少新药研制的资金投入。

6 磁共振分子成像技术的不足与展望

目前，磁共振分子成像技术在动物实验水平已取得重大研究进展，大量研究已证实利用磁共振技术进行分子水平成像的优势及可行性，但要实现临床广泛应用仍面临许多问题，如分子探针的安全性、敏感性及标准方法的建立；探测信号敏感性；扩增系统的有效性等。这些还有待于磁共振软、硬件系统及相关技术的进一步发展，此外，发展多模态成像克服单一模态技术的局限性也是未来研究的发展方向[21]。

总之，磁共振分子成像技术为医学影像学的发展提供了一个前所未有的机遇，将极大促进相关科学领域的快速发展，显著提高疾病诊断的敏感性和准确性，将生命影像诊断技术带入全新的时代。

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