分子成像技术在肿瘤诊疗中的应用进展

赵调红 逯涛峰 陈圆圆 路如霞 赵源旭 刘会玲

1.甘肃中医药大学第一临床医学院，甘肃兰州 730000；2.甘肃省人民医院妇科，甘肃兰州 730000

近年来，肿瘤治疗虽然取得不错的进展，患者预后得以改善，但对一些复杂类型的肿瘤，其治疗效果并不理想，且无法治愈。因此对肿瘤治疗而言，分子成像技术指导的靶向治疗是当前最重要的疗法。分子成像技术作为一种非侵入性方式以评估小动物活体状态下的病理生理过程，可在活体状态下对生物体内的细胞和亚细胞进行可视化和量化分析。此外，针对特定分子靶标的新型药物开发已成为前沿，分子成像技术旨在增加对癌细胞的选择性毒性，降低治疗耐药性的可能，并降低与化疗相关的不良反应，促进新型抗癌药物的治疗活性和抗肿瘤功效的研究。基于以上特点，分子成像可从分子水平上更早地诊断肿瘤及监测其发生、发展进程等，为肿瘤的诊治提供新线索和思路。

1 成像方式及特点

1999 年，美国哈佛大学教授Weissleder提出分子影像学（molecular imaging）的概念。在肿瘤研究中，人们普遍认为分子影像学是精准医学的基础，它可提供独特的信息指导精准肿瘤学，包括测量治疗靶点的区域表达、药代动力学、药效学及确定治疗目标和选择可能受益于治疗的患者等。应用特异性分子探针以追踪靶标并成像，可广义地定义为在细胞和分子水平上对生物过程进行体内表征和测量。与传统诊断成像不同的是，分子影像学主要探讨疾病基础的分子异常。目前，分子成像技术主要包括放射性核素成像、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、超声成像、生物发光成像（bioluminescence imaging，BLI）和近红外荧光（near–infrared fluorescence，NIRF）成像等。不同成像方式比较见表1。

表1 不同成像方式比较

2 放射性核素成像

放射性核素成像是根据放射性元素示踪原理，利用放射性元素标记研究对象，研究其在体内代谢分布的特殊规律，并从体外获取脏器或组织功能、结构的核医学技术，它主要包括正电子发射断层显像（positron emission tomography，PET）、单光子发射计算机断层扫描（single photon emission computed tomography，SPECT）两种方式。

2.1 PET

PET 测量的是生化功能而不是结构，从本质上来讲，它用γ 放射性同位素标记氟代脱氧葡萄糖（2–F fluoro–2–deoxy–D–glucose，FDG），并将制备的分子探针注入体内，监测其摄取和代谢情况，其机制是肿瘤细胞比正常组织具有更高的FDG 摄取能力和代谢，最常见的探针是F–FDG，其摄取表明FDG 代谢的高低，因此与恶性肿瘤相关的糖酵解增强，能够区分恶性组织和良性组织。

目前已有研究利用PET 探讨癌症的治疗方法。Liu 等利用F–FES PET/CT 对新诊断出的雌激素受体阳性乳腺癌患者的分期进行研究，对诊断不明确的分期病变指导临床诊疗；另外，Diaz 等用PET评估人表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）酪氨酸激酶抑制剂拉帕替尼对非小细胞肺癌裸鼠肿瘤活性的影响。Smarma 等用Cu对抗CA125 MAb 和scFv 进行放射性标记，用于卵巢癌CA125 的靶向体内分子成像。PET 在评估肿瘤分期、治疗效果等方面有一定的价值，但在活体成像方面，由于设备昂贵，多数研究者使用较少。

2.2 SPE/CT

SPE/CT 成像可获得微量示踪分子的图像，其成像特点是标记生物分子的放射性同位素能发出一种或多种带有能量的γ 射线，同时监测多个探针，被不同放射性同位素标记的生物分子可在同一个活体动物中被区分；相反，SPE/CT 的灵敏度比PET 低10～100倍，成本低于PET，这使其在临床实践中更容易使用。

在肿瘤转移靶向治疗中，Tc 标记的成纤维细胞活化蛋白（fibroblast activation protein，FAP）抑制剂（Tc–FAPI–19）显示出与重组FAP 表达细胞的特异性结合，通过SPE/CT 成像可实现肿瘤放射性靶向治疗。在肿瘤的药物研究中，Tc 标记的纳米粒子，用于SPE/CT–MRI 双模态成像，这些纳米探针可为肿瘤治疗提供抗癌药物，实现将双模态成像与抗癌治疗特性相结合的纳米治疗医学。在乳腺癌骨转移成像中，SPE/CT 识别骨骼受累和相关并发症，对治疗反应评估显示出巨大优势，在检测溶解性和硬化性病变及区分良性和恶性骨骼方面具有很高的灵敏性。

3 MRI

MRI 是一种非侵入性技术，它具有多方位、多参数、无电/离辐射、软组织分辨率高等优点。在动态对比增强 MRI（dynamic contrast–enhanced magnetic resonance imaging，DCE–MRI）中，静脉注射造影剂（contrast agent，CA），并在几分钟内记录多幅图像以研究器官或肿瘤中CA 的摄取，能够定量研究肿瘤微血管和微循环的结构和功能，为改善肿瘤诊断、个体化治疗提供广阔前景。

近年来，DCE–MRI 已被用于评估肿瘤血管生成，且具有助力研究抗血管生成和血管破坏疗法的潜力；此外，DCE–MRI 可通过Tofts 药代动力学模型分析局部晚期宫颈癌生物标志物，从乳腺DCE–MRI 肿瘤内亚区域提取的纹理特征可作为乳腺良恶性肿瘤鉴别诊断的影像标志物。

4 超声成像

超声成像借助由脉冲换能器生成并由信号处理软件集成的＞20000Hz 的声波来生成灰度图像。Foster等报道第1 个专门用于小鼠显微成像的高频超声成像系统（high–frequency ultrasound，HF–US），并指出它具有成本低、成像速度快、便携和高分辨率且无电离辐射的优点；除了解剖成像，超声成像还适用于多普勒超声或超声造影剂进行功能成像，允许对肿瘤血流灌注及肿瘤血管生成进行定性和定量评估。

4.1 HF–US 解剖成像

在临床前肿瘤成像方面，超声成像显示出高分辨率和低成本优势。HF–US 用于早期蕈样肉芽肿与炎症性皮肤病鉴别诊断，具有潜在的临床价值；在结肠癌荷瘤鼠模型中，超声成像够重复且准确地测量小鼠结肠壁的厚度，了解其解剖结构，并确定其病变范围；为研究腹主动脉瘤的形成和发展机制，HF–US 可用于获取小鼠的腹主动脉瘤二维图像。由此可见，HF–US 并非在所有的解剖成像中均是适用的，但超声不能透过骨骼，因此超声成像不适合用于分析脑和骨肿瘤。

4.2 HF–US 功能成像

HF–US 功能成像主要通过多普勒超声或添加超声造影剂或微泡，测量肿瘤血管和血管体积，以提供与血管生成相关的临床信息。近年来，肿瘤抗血管生成疗法的发展及对抗肿瘤药物药效学监测检查方式的需求，HF–US 在功能成像中的作用愈发重要。多普勒超声主要通过多普勒频谱检测血流，使用3D能量多普勒超声（3D power doppler ultrasound，3D PD–US）监测妊娠中期的整个胎盘灌注，对所有测量的参数、实验的可重复性均可行，证明此项技术的可行性。3D PD–US 还可用于评估前列腺癌转基因小鼠（genetically engineered mouse，GEM）模型中的功能性新血管生成及监测抗血管生成治疗效果。然而，PD–US 在以上成像中存在一些局限，如伪影的形成使得检测流动速度较慢的血流成为困难，这在评估肿瘤血流中很重要。

4.3 超声介导微泡的靶向成像

另外，在肿瘤药理学研究中，微泡首先被开发作为超声成像的造影剂，用作药物的输送载体，通过超声波以一定的辐射能量破坏载药微泡，从而使按需释放的药物能够递送到目标组织中；研究发现，超声介导下多柔比星纳米微泡可抑制乳腺癌移植瘤生长并延长小鼠生存期，且对小鼠重要器官的损伤较小，实现药物靶向递送；Nesbitt 等将生物素功能化的吉西他滨与携氧微泡联合作为胰腺癌靶向治疗，可显著降低胰腺癌细胞的活力，并降低化疗相关的不良反应；白蛋白紫杉醇跨越血脑屏障通过超声介导的微泡递送，用该方法可显著提高紫杉醇的脑浓度，是治疗神经胶质瘤可行且有效的方法。综上表明，超声联合微泡介导的抗肿瘤药物在癌症治疗中拥有广阔的应用前景。

5 BLI

生物发光成像技术（bioluminescence imaging，BLI）是一种监测体内细胞繁殖和迁徙的高度灵敏技术，该技术依赖活体细胞或组织发出的光子，其代表性成像模式是荧光素酶报告系统，将荧光素酶报告基因插入到肿瘤特异性表达的目的基因启动子上，根据荧光素酶的表达情况追踪某一细胞或蛋白的转录活性，另外一种方法是将荧光素酶的cDNA克隆于靶基因位点上来监测基因表达。BLI 的研究与应用主要有以下几个方面：

5.1 药理学研究成像

由于肿瘤分子靶向治疗的发展，BLI 为抗肿瘤药物的毒副作用和药理学提供了研究基础；药理学研究最终结果是毒副作用小并在体内有良好的分布，萤火虫萤光素酶和萤光素的组合已成功应用于全身成像，I 标记D–萤光素，证明萤光素酶的底物特性，并研究其细胞摄取动力学和体内生物分布，在骨、心脏和骨骼肌组织中的分布相对较少（＜3%），而其在脑中的分布＜0.5%，但I 可能影响萤光素的整个生物分布；此外，使用Caspase–3 激活萤光素酶报告基因来证明5–氟尿嘧啶与肿瘤坏死因子α 相关的凋亡诱导配体联合治疗可增强体内细胞凋亡活性，显示更强的抗肿瘤作用；目前，BLI 已被广泛用于监测肿瘤的生长和转移、细菌或病毒的感染进展、移植、转基因表达和基因治疗，并解决组织分析和广泛的药代动力学等问题。

5.2 肿瘤缺氧和抗血管生成的成像

已有研究表明，肿瘤缺氧与较差的临床预后和肿瘤进展有关，低氧诱导的主要转录因子之一是缺氧诱导因子1，它与缺氧反应元件（hypoxia response element，HRE）结合可以上调多种基因的表达。Lehmann 等设计了HRE 驱动的荧光素酶报告基因，通过体外稳定表达后建立肿瘤模型，用于纵向体内成像；其次，缺氧还刺激血管内皮生长因子的分泌并促进血管生成，增加肿瘤细胞的供氧。Sanz 等将人脐静脉内皮细胞（human umbilical vein endothelial cell，HUVEC）和人间充质干细胞（human mesenchymal stem cells，HMSC）植入免疫缺陷小鼠体内，并监测萤火虫荧光素酶发光强度量化血管生成，结果表明，HSMC 和HUVEC 均显示稳定的发光信号，然而，在使用血管内皮生长因子受体（vascular endothelial growth factor receptor，VEGFR）酪氨酸激酶抑制剂2周后，使用PET 观察到其信号显著下降。事实证明，BLI 在评估药物抗血管生成治疗中有重要作用。

5.3 活体细胞可视化成像

遗传或基因突变引起的细胞持续增殖会导致癌症的发生，BLI 提供了一种实时、动态监测技术。已有研究表明，通过调控细胞周期、凋亡相关转录因子（E2 Ftranscription factor 1，E2F1）并构建E2F1启动子控制下表达荧光素酶基因的转基因小鼠，将其与人神经胶质瘤转基因小鼠杂交建立少突胶质细胞瘤模型，使用BLI 监测肿瘤细胞的增殖活性；另外，Conway 等研究表明，当扩充细菌荧光素酶的作用以（20～30）:1 的比例过表达时，能够在多功能干细胞和间充质干细胞中实现连续或可诱导的生物发光，为干细胞的研究提供一种新工具。其次，BLI 在T 细胞研究中应用也有重要作用。研究发现，表达荧光素酶的T 细胞在评估其功能和监测抗肿瘤效果中发挥重要作用。

5.4 肿瘤相关炎症成像

研究表明，肿瘤相关炎症与肿瘤的发生、发展相关，炎症介质会破坏机体免疫系统，改变肿瘤微环境及相关信号通路，从而促进肿瘤进展。2015年，Hayashi 等使用细菌人工染色体（Bacterial artificial chromosome，BAC）克隆生成一个高度敏感的炎症监测小鼠系统，其中包含人类白细胞介素–6（Interleukin–6，rhIL–6）基因，并整合入萤光素酶报告基因中，进行体内实时监测多种不同疾病模型中的炎症状态；同时为区分肿瘤与炎性疾病，2021年的一项研究选择40 例疑似脊髓肿瘤病变不明确的患者，通过弥散张量成像技术在中央病变区域、病变边缘、水肿和正常脊髓区域评估DTI 指标各向异性指数（fractional anisotropy，FA）和表观弥散系数（apparent dispersion coefficient，ADC）比值（FA/ADC），FA 和ADC 可以分离炎性病变，避免对髓内肿瘤病变不明确的患者进行不必要的手术。目前关于肿瘤相关炎症可视化成像的研究尚少，通过BLI 可视化追踪肿瘤细胞激活与转化、炎症和肿瘤发生的相关性仍是未来研究的重点。

6 NIRF成像

肿瘤靶向治疗和近红外荧光（infrared fluorescence，NIRF）成像的多功能药物预计将对未来的个体化肿瘤治疗产生重大影响，它很大程度上依赖稳定且高度特异性的荧光蛋白来修饰目标细胞或其他生物分子，NIRF 成像有较低的自发荧光、深组织穿透力及具有同时监测同一细胞或肿瘤模型的多个研究目标的优势。NIRF 成像的研究与应用主要有以下几个方面：

6.1 肿瘤免疫治疗成像

抗体是由B 细胞产生的蛋白质，它可与抗原特异性结合激活体内的免疫系统来抵抗病原体的侵入。单克隆抗体治疗肿瘤的方法逐渐被应用于临床，近红外荧光基团标记的治疗性抗体在细胞、组织或器官水平的分布对了解其生物学特性极其重要。Cho 等将靶向CD38 的高亲和力单克隆抗体（daratumumab，DARA）与美登素衍生物（mertansine，DM1）缀合形成抗体–药物偶联物（antibody–drug conjugate，ADC），结果发现，DM1 不仅增强DARA的抗肿瘤效果，而且可加强肿瘤对ADC 的摄取能力及靶向肿瘤的能力，使得CD38 有望成为下一个肿瘤治疗靶点。Conner 等将NIRF 成像与传统放射性标记方法相比，使用美国食品药品监督管理局批准的IR800 标记单克隆抗体，监测其组织和血浆药代动力学，发现近红外荧光基团标记后的缀合物可显著改变单克隆抗体的血浆药代动力学和组织分布。其次，已经开发的小分子NIRF 荧光基团可标记一些免疫细胞，包括T 细胞、B 细胞、巨噬细胞等，然后靶向癌细胞并最终在癌症免疫治疗中发挥关键作用。

6.2 淋巴结成像

在手术过程中，NIRF 成像用于前哨淋巴结（sentinel lymph node，SLN）有助于指导肿瘤的切除范围，为肿瘤患者指导下一步的辅助治疗方案提供有关信息。为评估子宫内膜癌盆腔淋巴结受累情况，有研究指出吲哚菁绿作为示踪剂对SLN 成像，可增加SLN 的检出率。此外，用萤火虫荧光素酶改造后的Hela 细胞建立宫颈癌SLN 转移模型，发现负载ICG 的TMTP1–PEG–PLGA 胶束（ICG–loaded TMTP1–PEG–PLGA micelles，ITM）在肿瘤转移性SLN 中特异性积累，可成功将其与正常SLN 区分，为宫颈癌提供实时术中指导。

6.3 关节炎成像

NIRF 成像在监测风湿性关节炎和类风湿关节炎的治疗反应和药物剂量、评估临床结果、开发特效药方面有重要作用。Wunder 等使用蛋白酶激活的NIRF 成像“智能”探针，在甲氨蝶呤（methotrexate，MTX）治疗后通过荧光成像和组织学检查小鼠关节炎中荧光的分布和积累，以此来监测MTX 等抗风湿药对关节炎的治疗效果。另外一项研究表明，蛋白酶激活的NIRF 通过量化患病关节中的核因子–κB（nuclear factor–k–gene–binding，NF–κB）活性来评估关节中活性蛋白酶的数量，从而评估IKK–2 抑制剂（ML120B）对关节炎的治疗效果。

6.4 动脉粥样硬化成像

泡沫巨噬细胞在动脉粥样硬化斑块的聚集可加快疾病的发生和演变，精确的斑块成像可促进血管病变的预防和治疗，目前斑块MRI 由于灌注不足和动脉周围淋巴结的干扰，使斑块成像受到一定的限制。因此，设计一种负载NIRF 染料（IR820）的新型磁性介孔二氧化硅纳米颗粒，可特异性地靶向动脉粥样硬化斑块中的巨噬细胞，为将来识别巨噬细胞斑块的造影剂奠定基础。其次，一些蛋白酶（如组织蛋白酶、基质金属蛋白酶等）在动脉粥样硬化病变中高表达，Cy5.5 荧光染料与基质金属蛋白酶的特定底物连接，形成由酶激活的智能探针，然后，该探针用于监测动物模型中动脉粥样硬化斑块中基质金属蛋白酶的活性。

7 展望

分子成像技术是目前用于评估临床前癌症药理学研究中的药物疗效和安全性的重要方法，与传统成像方式相比，其具有无创、无辐射、性价比高、分辨率高、操作简单等优点，在生物科学领域具有广阔的应用前景；随着该技术的发展，人们在分子、细胞、组织和个体水平上对肿瘤的发生、发展有了更深入的认识，且在监测或预测治疗反应的能力方面取得重大进展。目前，最有希望的是通过分子成像技术与其他成像方法组合，发挥多模态、多功能成像的优势；其次，将分子成像技术与纳米技术相结合，克服常规有机染料的亲水性和光稳定性差、量子产率低、在生物系统中稳定性不足、检测灵敏度低等一些局限性，对肿瘤治疗反应进行评估，以更深入、更好地将治疗方法转化为临床。