内镜分子影像学技术在炎症性肠病病情评估及治疗中的应用进展

万俊辰，张妙心，杨青林，周琦

华中科技大学同济医学院附属同济医院消化内科，武汉 430030

炎症性肠病（IBD）是一种病因不明的慢性非特异性肠道炎症性疾病［1］，包括溃疡性结肠炎和克罗恩病。消化内镜是IBD 诊断、治疗和疗效评估的主要手段。内镜分子影像学或内镜分子成像是将内镜成像技术与细胞分子生物学相结合，通过特异性荧光探针对靶分子进行标记，在分子水平上实时成像。目前该技术已应用于多种疾病的诊断、治疗和监测，如Barrett 食管、胃肠道化生、扁平和凹陷性散发性结肠腺瘤、不明原因的胆管狭窄等［2］。内镜分子影像学还可用于评估肠道炎症、监测结肠炎相关癌（CAC）、预测治疗反应及优化治疗药物剂量等。内镜下分子成像系统主要包括荧光标记的靶向分子探针和体外探针成像装置。常用的分子探针包括多肽、抗体、可激活探针和纳米颗粒［2］。常用的标记染料为高亲和荧光素，如近红外荧光染料Cyanine 5.5、异硫氰酸荧光素（FITC）和Alexa Fluor 488［3］。最新的内镜技术如共聚焦激光显微内镜（CLE）、自体荧光成像、荧光显微内镜、光学相干断层成像、近红外光成像（NIR）等已被用于内镜下分子成像。CLE 可在内镜下实现“光学病理活检”，在IBD 活动性、炎症复发、黏膜愈合、治疗反应的评估和CAC 的检测方面具有重要应用价值［4］。自体荧光成像可根据不同类型组织（包括肿瘤组织）在短波长光源激发后的荧光发射差异来显示病变，无需荧光探针，可提高诊断胃肠道异型增生和早期肿瘤的灵敏度［5］。与可见光相比，NIR 减少了组织的光吸收和散射，组织穿透性更强，已被用于Barrett食管、结肠腺瘤等的检测［6］。现就内镜分子影像学技术在IBD 病情评估及治疗中的应用相关研究作一综述。

1 内镜分子影像学技术在IBD病情评估中的应用

1.1 IBD 的炎症评估 内镜检查是评估IBD 活动性的“金标准”，黏膜愈合已逐渐成为IBD 治疗管理的新目标［7］。研究者利用组织蛋白酶或基质金属蛋白酶（MMP）激活的NIR 探针，在右旋糖酐硫酸钠诱导的小鼠结肠炎模型中进行肠道成像，结果显示，荧光信号与炎症细胞浸润增加、上皮萎缩有关，且量化的NIR 信号与结肠炎组织学评分显著相关［8-9］。中性粒细胞弹性蛋白酶（NE）通过E-钙黏蛋白破坏肠上皮屏障，促进中性粒细胞胞外陷阱形成，维持并加重炎症损伤［10］。有研究者利用NE-可激活探针检测小鼠结肠炎模型中NE 活性，发现后者与结肠炎症、疾病严重程度呈正相关［11］。靶向叶酸受体的近红外染料（OTL0038）可在炎症部位的活化巨噬细胞中蓄积。研究者发现结肠炎小鼠在抗炎治疗结束后，结肠中OTL0038 的摄入量低于对照组，并与疾病严重程度呈正相关［12］。多光子显微内镜利用组织中细胞产生的自体荧光和胶原组织产生的二次谐波，可在细胞和亚细胞水平实时快速成像，无需荧光标记探针［13］。有学者在急性肠道炎症小鼠模型中，运用该技术对结肠黏膜进行重复成像，可显示肠道炎症变化过程［14］。也有研究利用基于自身组织、无需探针的荧光寿命成像检测结肠轻度炎症，发现该成像技术可用于监测炎症的发展和变化［15］。上述技术与内镜结合后不仅有助于IBD 的早期诊断，也可评估和量化肠道炎症。

1.2 监测CAC IBD 患者发生CAC 的风险随着疾病持续时间、严重程度和病变范围的增加而增加，所有发病8 ～ 10年的IBD 患者均应完善结肠镜CAC 筛查［1］。由于IBD 相关肿瘤常为扁平或凹陷性病变而容易漏诊，并迅速发展为晚期肿瘤，因此建议对整个结肠进行非靶向活检，若发现黏膜可疑异型增生或与周围黏膜显著不同，应行靶向活检。染色内镜被认为是靶向活检的标准检测方法［1］，然而其灵敏度受肠道形态结构变化的限制，如果变化微小则容易漏检，而分子成像有望弥补这一缺陷。

组织蛋白酶参与肿瘤微环境中的蛋白水解过程，在肿瘤相关巨噬细胞中表达丰富，而在正常或炎症黏膜的免疫细胞中表达较少［16］。GOUNARIS等［17］报道，结肠炎小鼠注射组织蛋白酶水解底物探针后，NIR 可检测肠黏膜组织蛋白酶活性。与轻度结肠炎组织切片相比，异型增生和CAC 组织蛋白酶活性分别升高5 倍和8 倍，在平均荧光强度的截断值为1 000 时，检测异型增生的灵敏度和特异度分别为100%和83%，能准确区分异型增生组织和良性炎症性病变。其他相关研究也成功利用组织蛋白酶激活探针在IBD 小鼠模型和人类组织中识别异型增生和CAC［18-20］。

γ-谷氨酰转肽酶是谷胱甘肽代谢的细胞表面酶，在人结肠癌细胞中高度表达。酶促快速激活探针（γ-谷氨酰羟甲基罗丹明绿，gGlu-HMRG）被γ-谷氨酰转肽酶特异性切割后可发出荧光。研究者在结肠炎小鼠模型中局部喷洒gGlu-HMRG，5 min 即可检测到异型增生或＜1 mm 的癌灶，且荧光持续至少30 min，肿瘤和炎症背景之间有高信号对比［21］。

已知结直肠肿瘤组织中MMP-2、MMP-9 表达明显升高。SCHWEGMANN 等［22］利用MMP 可激活探针进行内镜荧光成像，可检出结肠炎小鼠的结直肠腺瘤。YOON 等［23］还发现，MMP 可激活探针的NIR信号强度与肿瘤的发展阶段密切相关，并可以鉴别炎症和肿瘤。

DE PALMA 等［24］利用噬菌体展示技术筛选出一种与结肠异型增生具有较高亲和力的七肽，用荧光素标记后行CLE 成像，可鉴别炎性息肉与溃疡性结肠炎相关异型增生。这些研究表明，内镜下分子成像可在IBD 炎症背景下特异性识别异型增生和CAC，并可在形态学改变之前更早地检出，在IBD 长期随访监测中具有良好潜力。

2 内镜分子影像学技术在IBD治疗中的应用

2.1 预测治疗反应 随着各种生物制剂的问世，IBD 患者的治疗逐渐向个性化治疗发展，根据个体特征差异化用药可提高治疗应答率，减少药物不良反应。早期预测治疗方案的临床反应具有重要意义［25］。肿瘤坏死因子α（TNF-α）抑制剂是IBD 治疗中使用最为广泛的生物制剂，但目前临床尚无可应用于预测抗TNF-α 治疗反应的生物标志物。TNF-α抑制剂治疗IBD 的主要机制是与肠黏膜中表达膜结合型TNF（mTNF-α）的免疫细胞结合，诱导T 细胞凋亡［26］，而IBD 患者失应答的重要原因是mTNF-α 阳性细胞的缺失［27］。有学者将99mTc-annexin V 作为凋亡信号的分子探针，分别于英夫利昔单抗治疗前和治疗24 h 后使用单光子发射计算机断层扫描（SPECT）对14 例活动期克罗恩病患者肠道细胞凋亡情况进行实时成像，发现对治疗有反应的患者结肠细胞对99mTc-annexin V 摄取平均增加98.7%，而无反应患者仅增加15.2%（P=0.03）［28］。这表明英夫利昔单抗的作用机制与诱导黏膜免疫细胞凋亡有关，且99mTc-annexin V 结合SPECT 可预测其临床反应。但由于辐射量较大，SPECT 不适用于IBD 患者的随访监测。

ATREYA 等［29］借助喷射导管将荧光标记的抗TNF 抗体局部应用于25 例克罗恩病患者的病变黏膜，随后通过CLE 观察肠道mTNF-α 阳性细胞数量，结果发现，与mTNF-α 阳性细胞数量较少的患者相比，数量较多的患者在阿达木单抗治疗12周后短期缓解率更高（分别为15%、92%）；以mTNF-α 阳性细胞数量≥20 作为截断值，预测治疗反应的灵敏度为84.6%，特异度为91.7%；而且，在肠道中有大量mTNF-α阳性细胞的患者中，临床反应性持续了1年，并与随访内镜检查观察到的黏膜愈合有关。随着研究的进展，学者们发现了更多与抗TNF 抗体失应答有关的机制，如肠道巨噬细胞产生过量IL-23、肠黏膜抑瘤素M 水平升高及IL-7 受体表达增加等，未来研发这些分子的靶向探针也有助于预测治疗反应［30］。

有研究者以FITC-维得利珠（VDZ）作为分子探针，对5 例抗TNF 治疗无效的克罗恩病患者行CLE检查，观察其靶分子α4β7 整合素在肠黏膜中的表达，结果显示，经VDZ 治疗后有持续临床和内镜下缓解的2 例克罗恩病患者中，α4β7 整合素表达阳性，而3 例无反应者未观察到α4β7 整合素表达［31］。一项前瞻性研究纳入29 例IBD 患者（溃疡性结肠炎14 例、克罗恩病15 例），在治疗前、抗TNF 治疗12 周和VDZ治疗14～16周后行探针共聚焦激光内镜检查和组织学评分以评估治疗反应，取活检标本行FITC标记的英夫利昔单抗和维得利珠单抗染色，结果发现离体肠黏膜与单抗的结合程度越高，则药物治疗反应性更强，可预测溃疡性结肠炎对维多利珠的应答（受试者工作特征曲线下面积为0.83、准确率77%、阳性预测值89%、阴性预测值50%），并且在治疗应答的溃疡性结肠炎患者中荧光强度降低14%，而克罗恩病患者没有显著变化，提示生物制剂靶点的分子标记可成功预测溃疡性结肠炎的治疗应答［32］。

近期，有研究者利用TNF-α靶向微泡（MBTNF-α）肠内超声分子成像系统，对IBD 患者离体肠黏膜直接喷洒MBTNF-α，使靶向造影剂与mTNF-α 直接快速结合，再通过腔内超声评估炎症反应程度和定量检测mTNF-α 表达［33］。未来利用超声内镜结合MBTNF-α技术，可在动物或人体内进一步研究，这将是预测TNF-α抑制剂反应的另一种前景策略。上述研究均表明，对IBD 治疗靶点的分子成像可预测生物制剂的疗效，有望为个体化治疗开辟新的途径。

2.2 优化治疗药物剂量 研究表明，生物制剂的黏膜浓度而非血清浓度是影响IBD 治疗反应的关键因素［34-35］，而其局部浓度尚不可直接测量。多直径单纤维反射光谱（MDSFR）和单纤维荧光光谱（SFF）可校正组织吸收和散射等特性，准确量化黏膜荧光信号［36］。在接受新辅助放化疗的局部晚期直肠癌患者中，荧光分子探针能够测量组织中的局部药物浓度，且后者与荧光信号的振幅存在相关性［37］。未来可借助MDSFR 在IBD 内镜随访中评估药物反应，以确定最佳药物剂量。

综上所述，内镜分子影像学技术将消化内镜与分子影像学结合，可从分子水平上诊治IBD。当使用具有特定光谱的不同荧光染料偶联多种抗体后，可通过内镜多光谱成像系统同时显像，在治疗开始前预测患者治疗反应，个体化选择单克隆抗体，并通过MDSFR/SFF光谱测量各种单抗的浓度，根据单抗的黏膜浓度和肠道炎症评估治疗反应，进一步优化剂量。此外，随访过程中可在IBD炎症黏膜中准确区分异型增生或CAC。新的生物制剂靶向分子探针仍在研制中［38］，未来尚需进一步开展更大规模的、针对新靶点制剂（如IL-12/23 抗体）的内镜分子成像试验，探针应用前尚需解决人体安全性问题及成像程序、图像处理、荧光信号定量的标准化问题。人工智能辅助结肠镜检查能提高息肉及腺瘤检出率，并可对IBD患者的黏膜炎症及复发风险进行分级［39-41］。将人工智能与内镜下分子成像技术相结合有望规范操作流程，减少人为因素造成的漏检与误诊。