多模态分子探针的研究进展

张蕊娟，范龙飞，周家宇，梁茂林，朱 然

（苏州大学放射医学与防护学院，江苏 苏州 215123）

分子影像学是运用影像学来反映活体状态下特定分子生物学行为变化的新兴跨学科领域，涉及影像学、生命科学、纳米科学、材料科学、医学等多个学科，用于在分子层面满足各类成像需要[1]。其主要成像方法包括5类：①光学成像：包括生物发光成像、荧光成像（FI）、光声成像（PAI）和光学层析成像；②放射性核素成像：包括单光子发射型计算机断层成像（SPECT）和正电子发射型计算机断层显像（PET）；③电子计算机断层扫描（CT）；④磁共振（MRI）；⑤超声（USUS）[2]。PAI、荧光分子断层成像（FMT）、PET和SPECT等技术提供的功能信息，与CT提供的解剖学参考以及与MRI提供的解剖学和功能信息相结合，已被广泛地应用于人类疾病的动物模型[3]。单一的分子成像方式可能不足以获得所有必要的信息，都存在其优缺点，在时间空间分辨率、主体穿透深度、检测阈值等方面可能存在差异，因而难以在诊断和治疗中获得令人满意的性能[4]。近些年来，临床前和潜在临床研究领域对于多模态分子探针的需求都在急剧增加，学者们正着眼于开发靶向能力更强、同时兼备两种或两种以上成像能力、对机体毒副作用更小、监测效果更为灵敏的多模态分子探针用于多模态成像，本篇综述将介绍多模态探针的研究现状与应用前景。

1 多模态分子探针

多模态分子探针一般由两种元件组成。一种是靶向元件，包括肽段、抗体、折叠DNA等；另一种为多模态信号元件，包括放射性核素、荧光染料、金属钆、金属碘，还有较复杂的纳米颗粒，如量子点、硫化银颗粒、脂质体等[5]，这类材料的表面具有多个修饰位点，可将多种信号元件加以组合，以便构建出多模态分子探针[6]。

1.1 PET/光学成像双模态探针 PET成像可穿透深层组织，但空间分辨率较低，仅有几毫米[7]，而光学成像可提供相对较高的纳米至微米级的空间分辨率，但常伴有浅层组织穿透的问题[8]。结合两者成像特点所得的探针，既含有用于PET成像的放射性同位素，又有用于荧光成像的荧光基团，既可以在最初的诊断性PET扫描中提供疾病的特定功能成像，又可以为术中切除这种病变组织提供高空间分辨率的实时荧光成像[9-11]。不同示踪剂的生物分布可能存在差异，因而使用PET-荧光多模式探针比使用单独的PET探针和荧光探针对同一疾病状态进行成像更有利[12-13]。此外，Ⅰ期临床试验仅需要评估一种而非两种药物的安全性也是其优点之一[14]。花青素、氧杂蒽类衍生物和纳米粒子常被用于制备成像组件[15]。Nahrendorf等[16]制备的纳米粒子基于一种葡聚糖核壳纳米粒子[交联氧化铁（CLIO）]，葡聚糖表面首先被胺化，然后与羟基琥珀酰亚胺（hydroxysuccinimide-derivatized fluorochromes）衍生的氟铬化合物和叠氮化物反应，并将18F标记的聚乙二醇（18F-PEGs）通过点击反应连接到材料上。此种探针用于BALB/c小鼠的结肠癌模型成像，靶向于肿瘤相关的巨噬细胞[17]，显示出了较好的成像效果。Zhang等[13]通过赖氨酸将靶向基团RM2（一种专门与胃泌素释放肽受体结合的非肽类）、螯合基团（DOTA）和近红外荧光团进行连接，构建了一种近红外成像探针，可用于前列腺癌的显像。

1.2 MRI-CT成像多模态探针 CT是一种基于X射线与身体或造影剂相互作用的医学成像方式[18]，由于其高空间分辨率和图像采集的快速便捷而成为应用最广泛的全身成像技术之一，常被用于可视化各种解剖结构。但CT的先天敏感性不够高，在应用时约有一半需要加用造影剂来辅助检测软组织的细微变化[19]。尽管MRI与CT常共同应用于同一患者，以提高诊断的准确性或评估治疗常规的疗效[20]，但与其他多模态成像剂相比，用于MRI-CT的多模态成像剂所得到的关注仍然较少。由Park等[21]合成的钆螯合物（GdL）包被的金纳米颗粒，简称为Au@GdL，其中L是二乙烯三胺五乙酸（DTPA）和半胱氨酸的共轭物。通过以GdL取代金纳米颗粒表面的柠檬酸盐（Citrate）而制得的Au@GdL，可用于肿瘤的MRI-CT多模态成像。其将金核封装在多层有机壳内，壳中夹带的Gd（Ⅲ）用以增强MRI的对比度，而金核提供了强大的X射线吸收能力。Park等[21]的研究表明，Au@GdL在血液中的循环时间很长，并可在动物的肿瘤组织中积累，MTT结果也表明其具有很低的细胞毒性，具备潜在的应用前景。

1.3 CT/光学成像多模态探针 CT成像提供了FI无法实现的3D解剖结构，而FI提供了CT成像所缺乏的高表面分辨率和灵敏度，两种成像模式相互补偿。尽管如此，双模态FI-CT探针仍面临着如何整合两种不同灵敏度的成像剂的挑战。与FI相比，灵敏度较低的CT需要大量的造影剂负载才能有效读取信号，相对大的需求量进一步增加了毒性和溶解性问题；另一方面，如何保证双模态探针的生物相容性和靶向选择性是设计探针时所需面临的另一个问题，通常需要附加一个靶向组以便在所需部位富集CT造影剂[10]。许国强等[22]研制了一种核心共装载Lipiodol（脂肪醇）和近红外荧光染料的CT/荧光双模态脂质纳米颗粒。用LTV多肽对二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱（DMPC）、磷酸乙醇胺（DMPE）、二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺（DSPEPEG2000）、丙基纤维素（MHPC）四种磷脂表面进行修饰后制得的HER2靶向CT/荧光双模态纳米探针可用于乳腺癌的诊断。Lu等[23]制得的TaOx壳层覆盖的近红外发光纳米粒子（ZGGO:Cr,Pr），可作为CT对比剂。用3-氨基丙基三乙氧基硅烷试剂（3-Aminopropyltriethoxysilane）对其TaOx外层进行修饰以便使其与PEG链和环状直链短肽（CNGRCGG肽）结合作为靶向基团，最终所获纳米探针NGR-PEG-ZGGO:Cr,Pr@TaOx@SiO2可用于体内近红外荧光成像（NIRF）或CT成像来检测裸鼠的肿瘤部位。

1.4 MRI-光学成像多模态探针 MRI高软组织分辨率、多方位多参数的特点与光学成像高成像灵敏度[24]两者结合得到的图像可满足功能与解剖成像的需要[25]。常见的MRI-光学多模态探针可分为MRI/荧光染料、MRI/有机金属配合物、量子点、上转换粒子四种[26]。近红外光最适合FI，在此范围内血红蛋白和水的吸收相对较低，因而组织穿透深度相对较高[27-31]。此外，与可见光谱相比，近红外范围内的自发荧光也较低[32]。花青（Cy）家族是体内FI常用的染料[33]，通过将Cy家族共价连接到Gd-DTPA-聚赖氨酸上构建得到的双模态探针，可用于术前MRI和术中肿瘤边界的确定[34]。磁离子掺杂的量子点（MDQD）作为一种重要的 FI-MRI双模态造影剂，可以将光学和磁学功能整合在一个纳米粒子中，与其他量子点（QDs）制备的探针相比具备更小的粒径，有助于快速排出体外；此外，MDQD还可有效避免某些复合材料或核壳材料中使用的非放射性包装材料对MDQD荧光性能的潜在干扰[35]。荧光金属纳米团簇由于其亚纳米尺寸、出色的光稳定性和相对较低的毒性，在生物传感和生物成像领域有较多应用[36]。Li等[37]以此种方式制备的聚乙二醇包被的超小氧化钆/适体-金纳米团簇（PEG-Gd2O3 NPs/aptamer-Ag NMCs），通过使PEG-Gd2O3 NPs表面的羧基和aptamer-Ag NMCs表面的氨基之间发生共价偶联反应使两者结合。此探针可在体外通过双模态FI-MRI对MCF-7肿瘤细胞进行特异性标记。上转化纳米材料也是今年十分热门的领域，Liu等[38]制备的新型硅壳纳米颗粒探针NaYF4:Yb/Tm@NaGdF4，可实时监测药物释放，实现药物在体内和体外实时可视化和量化。

1.5 SPECT/PET-MRI多模态探针 PET-MRI双模态探针一般由PET示踪组分和MRI成像组分组成，前者包括18F、64Cu，后者包括金属铁、钆等，还可能含有多肽、抗体等靶向组件[39]。常见的PET/MR多模态成像探针，主要包括含Gd3+螯合物的小分子双模态探针和纳米双模态探针。开发新型多模态PETMR探针的方法主要是通过对共轭MRI成像组件进行表面修饰，并将其与PET放射性核素和其他功能组件结合起来[40]。

Gd3+螯合物是最常用的小分子MRI造影剂，常被用于开发双模态探针。一种小分子PET-MR双模态探针18F标记的钆离子螫合物（Gd-DOTA-4AMP-18F，一种18F标记的新型pH值敏感MRI造影剂）可用于定量与pH相关成像[41]，是由基于Gd-DOTA的MRI成像组分与PET示踪组分18F组成。前者成像信号与pH相关，后者可靶向至肿瘤部位。因为小分子难以承载两个或多个成像组分，甚至由于其有限的负载能力而难以将靶向基团作为单个实体，因而以Gd3+螯合物为代表的的小分子MRI造影剂仅占PETMRI双模态探针的一小部分，大部分都为纳米双模态探针。纳米尺寸结构的优势允许其携带多模态成像组件和靶向组件，其表面、涂层和颗粒内部的化学反应性也具备可调性。Yang等[42]制备的靶向于巨噬细胞的多模态探针1,4,7-三氮杂环壬烷-1,4,7-三乙酸-氧化铁纳米颗粒-甘露糖（NOTA-IO-MAN）粒径分布窄，无明显聚集或降解。PET和MRI都可证实68Ga-NOTA-IO-Man注射到大鼠足底后可在淋巴结中浓集，这说明这种探针在淋巴结成像及各种癌症靶向治疗领域都有着良好前景。Torres Martin de Rosalest等[43]合成的一种双模态分子探针，是用一种新型双功能螯合剂dtcbp使一个用于结合正电子发射剂64Cu进行PET成像的二硫代氨基甲酸酯基团和一个用于结合无机材料的双膦酸盐基团结合而成。通过此种方法制备的探针可通过两种方式对淋巴结进行成像，证明了其PET-MR成像能力。Zielhuis等[44]将乙烯三胺五醋酸双十八烷基酰胺（一种具有螯合基团的两亲分子，适合标记放射性核素）和乙酰丙酮钆（GdAcAc）（一种小型亲脂顺磁性分子）纳入脂质体中，并用放射性核素（如166Ho或99mTc）加以标记，被标记后的脂质体具备较高的标记效率和放射化学稳定性，与之相比99mTc标记的标记效率较低。最终制得的脂质体可用作双峰SPECT-MR成像探针，可用于多模态成像和治疗，具有临床应用的潜力。

2 多模态分子探针应用

2.1 肿瘤分子成像 分子成像能够无创地观察到与癌症相关的不同阶段的关键分子靶点和宿主反应，从而促进癌症的精确诊断和治愈性治疗。用于体内肿瘤成像的高效探针需要两个先决条件模块：①提供可检测信号的成像模块；②确定肿瘤精确定位的靶向模块[45]。Chen等[46]合成的一种新型的双模式MRI-NIRF探针，由涂有脂质体的超顺磁性氧化铁（SPIO）纳米粒子、肿瘤靶向剂、精氨酸-甘氨酸-唾液酸肽（RGD）和近红外荧光染料（吲哚菁绿，ICG）组成，可用于肝癌裸鼠模型的术前诊断和术中引导根治切除，于MRI和荧光图像都可显示出清晰的肿瘤轮廓。

2.2 胰岛细胞成像 人锌转运体8（ZnT8）是一种专门的锌转运体，主要存在于胰岛β细胞的胰岛素分泌颗粒中，控制着锌在胞质中的积累和其在细胞内囊泡腔的运输[47]。最近的研究[48]证实，ZnT8的自身抗体是诊断1型糖尿病的一个重要生物标志物，其本身就作为β细胞成像的一个较有前景的目标分子[49-50]。胰岛素颗粒中含有高浓度的Zn（Ⅱ）离子，其中一小部分未被结合[51]。鉴于Zn（Ⅱ）在分泌颗粒中占很大比例，而在胰腺其他部分相对稀少[52]，基于Zn（Ⅱ）的成像剂可能是人体成分分析（BCM）的有用工具[53]。Stasiuk等[54]开发的一种感知Zn（Ⅱ）的MRI-光学成像多模态探针，在体外可特异性地积累到分泌颗粒和分离的胰岛中，在体内MRI实验也可清楚地勾勒出增强的胰腺图像。这些结果表明，使用Zn（Ⅱ）感应探针的MRI成像在检测BCM和β细胞功能领域有潜在的应用前景，但这种成像方法在人体中的具体应用还有待检验[55]。

2.3 心脑血管疾病成像 Keliher等[56]制备的一类18F标记的聚葡萄糖纳米粒子18F-Macroflor，对巨噬细胞表现出高亲和力，具备出色的PET-CT性能，并可经肾脏快速排泄，能够用于识别动脉粥样硬化斑块和缺血性心肌的炎症，特别适于动脉粥样硬化成像。Cao等[57]开发了一种含有2,3-二巯基琥珀酸（DMSA）涂层的氧化铁纳米粒子，带有骨钙蛋白（OPN）抗体，可用于高脂肪饮食小鼠模型中动脉粥样硬化斑块的MRI-光学双模态检测。

2.4 中枢神经系统成像 Kim等[58]使用18F标记的(T-4)-[(1E,6E)-1,7-二[4-(二甲基氨基)苯基]-1,6-庚二烯-3,5-二酮]二氟化硼（18F-CRANAD-2）和其衍生物用于APP/PS1模型小鼠的脑成像。除了应用于脑成像，多模态探针还可用于中枢神经系统药物的药代动力学监测。反义寡核苷酸（ASO）由于其特定的分子靶向性和药理特性成为治疗中枢系统疾病的极具应用前景的药物[59]，已成功通过中枢神经系统的鞘内（IT）递送来治疗脊髓性肌肉萎缩症。然而对于ASO在IT区的药代动力学和药效学的特性仍然知之甚少。运用多模式成像方法可以阐明IT给药后ASO的中枢神经分布、清除和疗效所依据的多种运输途径。为了确定IT给药后ASO在神经轴上的分布动力学，Mazur等[60]用125I标记了一种针对长非编码RNA（RNAMalat1）的ASO，并通过SPECT/CT活体成像对其进行跟踪。SPECT/CT图像和全身自显影确定了覆盖脊髓、神经根的脑膜、大脑底部以及脑触角和上矢状窦区域的高保留放射性信号，有助于对相关代谢途径的研究。

3 前景与展望

Vahrmeijer等[61]提出，分子影像临床应用所需克服的最大阻碍即是要证明其临床安全性，需要经过人体实验并取得临床批准，这个过程可能需要耗费较长的时间。以纳米材料为例，其在体内的生物安全性就是制约其广泛应用于临床的重要因素，评估其潜在的生物毒性需要较为漫长的实验周期；其次是需要探寻制备能承载多种成像模式、靶向性好的探针的方法，得到尺寸适宜、水溶性与生物相容性都较好的探针；最后还需要考虑纳米颗粒与靶向组件的药代动力学问题，如何使两者尽可能地匹配来实现协同成像，这将会是临床应用的一大挑战[39]。随着分子影像学的发展以及与其他技术间跨学科的交叉研究，新型的分子探针与成像设备的研发将是未来研究的热点。现有的分子成像技术还无法满足分辨率、可利用度等多个方面的需求，期望在将来能获得安全、灵敏、诊疗一体化的多模态分子探针。