生物医学工程：分子影像学

1、Molecular Imaging电磁波谱定义：从空间某个区域出发，交替地激发起变化的电场和变化的磁场，以有限的速度在空间传播。按照波长排列起来，形成电磁波谱。在真空中各种电磁波都具有相同的传播速度。机械波定义：机械振动在弹性介质中的传播过程。波源和弹性介质是产生和传播机械波的必要条件。频率在2020000 Hz的机械波可以引起人的听觉，简称声波。频率低于20Hz的机械波成为次声波。频率高于20000Hz的机械波成为超声波。内容大纲生物医学成像的原理和基本应用分子影像学的概念和发展历史分子探针的概念、种类和研究进展生物医学成像一、X 射线成像二、磁共振成像(MRI)三、超声成像四、正电子发射断

2、层显像术五、光学成像 X射线成像1895年，德国物理学家伦琴第一次发现了X射线。X射线的产生方法一：X射线管方法二：同步辐射方法三：激光辐射许多新的产生X射线的方法还在研究和实验阶段。目前，主要采用高速电子受阻辐射产生X射线常用的产生X射线的基本条件是 有高速运动的电子流 有适当的障碍物-金属靶将电子的动能转化为电磁波的能量 利用X射线管产生X射线装置的主要组成部分 X射线管 高压电源 低压电源 整合电路同步辐射X射线速度接近光速的带电粒子在磁场中作圆周运动时，会沿着偏转轨道切线方向发射连续谱的电磁波。1947年人类在电子同步加速器上首次观测到这种电磁波，并称其为同步辐射，后来又称为同步辐射光

3、。世界上有近40台同步辐射光源正在运行，还有几十台在设计、建造中。上海光源上海同步辐射装置的电子储存环电子束能量为3.5GeV(35亿电子伏)，是我国迄今为止最大的大科学装置和平台，在科学界和工业界有着广泛的应用价值。同步辐射光源技术可以清楚地透视蚂蚱的血管肌肉 X射线能使人体在荧光屏或胶片上形成影像，一方面是基于X射线具有穿透性、荧光作用和感光作用，一方面是基于人体组织结构之间有密度和厚度的区别。当X射线透过人体不同组织结构时，被吸收的程度不同，到达荧光屏或胶片上的X射线量出现差异，从而在荧光屏上或胶片上形成黑白对比不同的影像。CT成像Allan M. CormackGodfrey N. H

4、ounsfield人体内有些器官对X射线的吸收差别极小，对那些前后重叠的组织的病变就难以发现。1963年，美国物理学家Cormack提出可以从多个角度对脑和人体组织进行X-射线扫描，与组织解剖结构结合，利用计算机得到三维重建图像。1967年，英国电子工程师Hounsfield根据Cormack的理论制作了一台能加强X射线放射源的扫描装置，用于对人的头部进行实验性扫描测量。1972年4月，他在英国放射年会上首次公布了这一结果，正式宣告了CT的诞生。两人共同获得1979年Nobel医学奖。CT成像的基本原理CT 全称为电子计算机断层扫描，实际上是利用多个X射线探头，多次扫描后经过计算后得到的图像结

5、果。MRI磁共振成像MRI诞生之初曾被称为“核磁共振成像” ，为了突出这一检查不产生电离辐射的优点，同时与使用放射性元素的核医学相区别，将名称简化为“磁共振成像”。核磁共振相关的诺贝尔奖美国物理学家斯特恩，因发展分子束的方法和发现质子磁矩而荣获1943年度诺贝尔物理学奖；美国物理学家拉比，因应用共振方法测定了原子核的磁矩和光谱的超精细结构而荣获1944年度诺贝尔物理学奖；美国物理学家布洛赫和珀塞耳，因发现和发展核磁精密测量新方法共获1952年度诺贝尔物理学奖；瑞士化学家恩斯特，因发明傅立叶变换核磁共振分光法和二维及多维的核磁共振技术而荣获1991年度诺贝尔化学奖；瑞士核磁工振波谱学家维特里然、

6、日本科学家田中耕一和美国科学家约翰芬恩，因发明利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法而荣获2002年度诺贝尔化学奖。2003年诺贝尔生理或医学奖授予美国化学家保罗劳特布尔和英国物理学家彼得曼斯菲尔德，以表彰他们在核磁共振成像技术领域的突破性成就磁共振成像的物理基础 原子核的自旋和核磁 核自旋：原子核以一定频率进行高速旋转。 核磁：带有正电荷的核自旋产生的磁场。 并不是所有的原子核都产生磁场。磁性和非磁性原子核 质子数和中子数都为偶数的原子核为非磁性原子核。 以下原子核的为磁性原子核: 中子数和质子数都为奇数的原子核，自旋量子数为整数（n） 中子数和质子数不都为偶数的原子核，自旋量子

7、数为半整数（n/2）质子带正电荷，并作自旋运动，因此产生磁场，可以把质子看成一个小磁铁质子的排列是杂乱无章的，当把质子放进磁场中时，质子在磁场中排列。原子核的进动进动：当自旋核处于外磁场中，核磁矩受到外磁场的作用，在自身旋转的同时，同时以外磁场方向为轴进行旋转摆动 。对磁性原子核来讲，在磁场中的自旋状态可以有不同取向。而根据核自旋的方向不同，原子核的能量状态也不同。 1H 自旋量子数( I ) 1/2没有外磁场时，其自旋磁距取向是混乱的在外磁场H0中，它的取向分为两种(2I+1=2)一种和磁场方向相反，能量较高(E=H0)一种和磁场方向平行，能量较低( E= H0)180Rotation 若外

8、界提供一个电磁波，波的频率适当，能量恰好等于核的两个能量之差，h=E，那么此原子核就可以从低能级跃迁到高能级，产生核磁共振吸收。 核磁共振的电磁波能量很低，频率在兆赫级别，波长很长（几百米）。 常见的射频脉冲为90和180射频脉冲。根据宏观磁化矢量改变的角度来命名的。 M核磁驰豫当停止射频波照射后，组织的宏观磁化矢量逐渐又回到平衡状态，这个恢复过程称为核磁驰豫。横向驰豫： 射频脉冲关闭后，横向磁化矢量将逐渐减少，最后衰减为零。从射频脉冲关闭到横向磁化矢量减小为最大值的37%的时间为T2。纵向驰豫：射频脉冲关闭后，纵向磁化矢量将逐渐恢复到平衡状态。从射频脉冲关闭到纵向磁化矢量恢复到平衡状态的63

9、%的时间为T1。给处于主磁场的氢核一个射频脉冲，当射频脉冲的频率与质子的进动频率相同时，射频脉冲的能量将传递给处于低能级的质子，处于低能级的质子获得能量后跃迁到高能级。这种现象称为共振吸收；停止射频照射，处于高能级的质子会回到低能级，同时发射相同能量。核磁共振的定义用于人体磁共振成像的原子磁性原子核 平均摩尔浓度 相对磁化率1H 99.0 1.014N 1.6 0.08331P 0.35 0.06613C 0.1 0.01623Na 0.078 0.09339K 0.045 0.000517O 0.031 0.0292H 0.015 0.09619F 0.0066 0.831H 的自然丰度 9

10、9.985%13C 的自然丰度 1.11%磁共振三维成像原理磁共振成像的基本方法：在均匀的主磁场中叠加一个随位置坐标而变化的线性梯度场。沿梯度场的位置不同，共振频率不同，由此来建立共振信号与空间位置之间的对应关系。傅立叶变换几种人体组织的T1，T2值范围组织名称 T1 （ms） T2（ms）脂肪 24020 6010肌肉 40040 5020肝 38020 6020肝癌 570190 4010胰腺 39820 6040胰腺癌 840130 4010肾 67060 8010肾上腺癌 570160 11040 正电子发射断层显像术（positron emission tomography, PET

11、）：是一种利用向生物体内部注入正电子同位素标记的化合物而在体外测量它们的空间分布和时间特性的三维成像技术。从正电子核素发射出来的正电子，很快与周围广泛分布的带负电子碰撞，发生“湮灭”，并将能量转化为两个方向相反的射线光子。两个光子被PET仪相对的两个探头同时检测到，称为“符合事件”，表明探头连线上存在着被正电子核素标记的药物。符合事件的多少由药物在局部的密集程度决定。经过计算机重建，即可获得三维的人体PET图像。PET成像 18F标记葡萄糖作为示踪剂的PET影像图。左图是 PET扫描图像，中图是CT扫描图像，右图是PET扫描和CT扫描结合的图像。光学成像发展史公元前一世纪，人们就发现球形透明体

12、具有放大作用。1610年左右，伽利略和开普敦在研究望远镜时，改变物镜和目镜的距离，得到合理的显微镜光路结构。1665年，英国学者Robert hooke 在显微镜中加入了微焦结构、照明系统和标本台，首次观察到了死亡的植物细胞。16731677年期间，荷兰学者列文虎克制成了单组元放大镜式的高倍显微镜，观察到了许多动植物的活细胞。显微镜结构在改进的同时，成像技术也在发展干涉成像光学相干弱层析成像技术偏光成像相衬（差）成像1953年诺贝尓物理奖荧光成像可见光为光源，用物镜与目镜获得样品的图像荧光显微镜增加了两套滤光片。一套是激发光滤片，位于光源与样品之间，只允许特定激发波长的光通过；另一套是阻断滤片

13、，位于目镜和物镜之间，只允许特定的发射波长的 光通过。OCT成像偏光成像相衬成像在不同材料表面生长的内皮细胞的激光共聚焦结果。a 和 b：内皮细胞生长在有序的CNT-NF材料上，b是加入MAPK信号通路抑制剂。c 和 d：内皮细胞生长在无序结构的CNT-NF材料上，d是加入抑制剂后图像。红色actin，greentubulin， blueDAPI。超声成像人类耳朵能听到的声波频率为2020000Hz。超声波是频率高于20000Hz的声波，具有方向性好，穿透能力强的特点，医学上超声波的频率为1-5兆赫兹。医学上最早利用超声波是在1942年，用于扫描脑部结构，到了60年代开始将超声波应用于腹部器官

14、的探测。超声波遇到不同介质的分界面时，可产生显著的反射。超声波具有机械作用和空化作用。水、脂肪和软组织对超声波衰减较弱；空气、骨骼对超声波的衰减较强。超声成像的基本原理医学超声波检查的工作原理是将超声波发射到人体内，当它在体内遇到界面时后发生反射和折射，同时在人体组织中可能被吸收而衰减。超声波在介质传播过程中其声能逐渐减小，人体组织中的一般衰减规律是：骨组织肝组织脂肪血液纯液体。Questions?从物理学角度分析五种成像方式的异同？从工程学角度分析五种成像方式的异同？从生物医学角度分析五种成像方式的异同？分子影像学医学影像学在疾病诊断和治疗中具有重要的作用。影像诊断学的一个重要进展，就是图像

15、融合技术的发展与应用。影像诊断学的另一个重要进展是从传统的非特异性物理、生理特性成像深入到特异性细胞、分子水平成像。分子影像学分子影像学的概念分子影像学（molecular imaging）是运用影像学手段显示组织水平、细胞和亚细胞水平的特定分子，反映活体状态下分子水平变化，对其生物学行为在影像方面进行定性和定量研究的科学。分子影像技术主要探测分子水平的病变，而不是这些分子改变后所引起的解剖结构的变化。能够从细胞和分子层面探测疾病的初期变化。利用影像学的手段无创、在体条件下细胞内的正常或病理状态的分子过程。分子影像技术的特点分子影像学的优势其一，分子影像技术可将基因表达、生物信号传递等复杂的过

16、程变成直观的图像；其二，能够发现疾病早期的分子细胞变异及病理改变过程；其三，可在活体上连续观察药物或基因治疗的机理和效果。分子影像学的发展和现状1999年美国哈佛大学Weissleder等首先提出了分子影像学的概念。分子影像学被美国医学会评为未来最具有发展潜力的十个医学科学前沿领域之一。美国和欧盟已经将分子影像学列为人类基因组后的重大研究计划高度。核心的研究机构包括：化学、细胞、病理、外科、生物信息学等共有七个方面的主要研究项目CDP(clinical Discovery)Mouse Imaging （MIP）Cellular Imaging （LBM）Molecular Libraries

17、（MLIA）Cardiovascular （CMIP）Nanomedicine（NANO）分子影像技术三个关键要素寻找高特异性的分子探针合适的信号放大技术能灵敏地获得高分辨力图像的探测系统分子影像学是一门新兴的交叉学科，涉及分子生物学、化学、物理学、临床医学和药学等多个学科。 分子影像探针(molecular imaging probe)Molecular imaging probe is an agent used to visualized, characterize and quantify biological process in living system.通常由信号分子，靶向分子

18、及连接分子三部分组成。Signal agentlinkerTargeting moiety分子影像探针与药物的区别分子影像探针属于药物的一种，是一种特殊类型的药物。药物重视对某种生物过程的改变，同时没有毒副作用。有效性和安全是考察药物的两个重要指标。分子影像探针要求在无创条件下观测生物过程，使研究者更好的理解疾病过程。因此，对生物过程无创、无损是考察分子影像探针的重要指标。理想分子影像探针与靶标具有高结合力，使靶向组织中累积足够量的分子影像探针。这要求成像探针具有高结合常数（Kon）和低解离常数（Koff）。与靶标特异性结合，例如酶、受体、和转运体等，可以在分子水平监测生物过程。高敏感性，要求

19、探针在靶标表达数量较低时也能达到高结合。高对比度，探针在疾病组织里具有较高的摄取量，在正常组织里摄取较少，具有较高的信噪比。体内结构稳定性。体内有很多酶，可能使分子影像探针价键断裂。成像质量和数量分析依赖于探针在体内结构的稳定性。低免疫原性和毒性。可生产，低成本。便于生产和进一步的临床应用。 As a result, it remains highly challenging for medicinal chemists to design and develop desirable molecular imaging probes with clinical applicability.Mo

20、lecular-Target细胞表面特异性标志物分子（受体）血管相关标志物分子外源性蛋白酶基因表达和荧光报告蛋白代谢途径的关键分子在分子影像学研究链中，最重要的是选择理想的靶标。理想的靶标应该是在细胞上具有较高的表达量，例如蛋白，通常有100-100000个copies在一个细胞上，或者是信使RNA,大概50-1000个copies per cell，DNA 通常不能作为靶标，因为copy数比较少，同时缺乏特异性。受体显像抗体显像核苷酸代谢氨基酸代谢糖及小分子代谢分子影像代谢影像临床前期、临床分子影像代谢显像不同的分子影像技术在临床上灵敏度和特异性区别。 灵敏度特异性临床前期和临床分子影像基因

21、表达显像选择标志物的范围逐渐增加Signal Agent 实现成像目的；成像试剂具有不同的物理性质，应用于不同的成像方式； 成像试剂可以是核素、生物发光或荧光分子、磁性分子或微泡。分子影像学-PET检测PET是一种功能性核医学显像仪器，有很高的仪器灵敏度和分辨力，目前广泛地用于临床肿瘤学。构建PET分子探针的主要方法是接连将放射性元素标记到靶分子上。常用的PET分子探针的标记物为主要F-18、C-11、O-15、Zr-89，Cu-64， Tc-99m， I-123和Ga-68，其中18F-FDG(氟代脱氧葡萄糖F-FDG）是应用最广泛的PET试剂。它主要利用肿瘤细胞与正常组织糖代谢的明显差异来

22、检测肿瘤。目前存在的主要问题是缺乏特异性探针，特异性受体成像是目前研究的一个热点内容。Molecular target/processImaging probes (phase of development)Small-molecule probe Proliferation2-11CThymidine, FLT, 1-(2-deoxy-2-fluoro-D-arabinofuranosyl) thymine, 2-deoxy-2-fluoro-5-fluoro-1-D-arabinofuranosyluracil, 124Iiododeoxyuridine (clinical testing

23、) Apoptosis99mTcAnnexin V, 18FAnnexin V (clinical testing) Hypoxia18Fmisonidazole, 2-(2-nitro-1H-imidazol-1-yl)-N-(2,2,3,3,3-pentafluoropropyl) acetamide, fluoroerythronitroimidazole, fluoroetanidazole, diacetyl-bis(N4-methylthiosemicarbazone) copper (II), 124I-labeled iodo-azomycin-galactoside, flu

24、oroazomycinarabinofuranoside (clinical testing) Pharmacokinetics5-Fluorouracil, N-2-(dimethylamino)ethylacridine-4-carboxamide,1,3-bis(chloroethyl)-1-nitrosourea, 11Ctemozolomide, 13Ncisplatin (FDA approved) Multidrug resistance99mTcsestamibi, 11Cverapamil, 11Cdaunorubicin, 11Ccolchicine, 99mTcmetho

25、xyisobutylisonitrile (FDA approved) Breast cancer (ER)FES (clinical testing)Prostate cancer (androgen receptor)FDHT (clinical testing)Peptide probesSomatostatin/somatostatin receptor（生长抑素/生长抑素受体）90Y1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetic acid-Tyr3-octreotide, 111Indiethylenetriamine pent

26、aacetic acid-D-Phe(1)-octreotide, 90Y1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetic acid-lanreotide/vapreotide (FDA approved) Vasoactive intestinal peptide/vasoactive intestinal peptide receptor-1（血管活性肠肽/受体）123IVasoactive intestinal peptide, 99mTcTP3654 (clinical testing) Bombesin, gastrin-rele

27、asing peptide/gastrin-releasing peptide receptor （促胃泌素释放肽/受体）99mTcBombesin (clinical testing) Cholecystokinin,gastrin/cholecystokinin receptor（ 胆囊收缩素/受体）111Indiethylenetriamine pentaacetic acid-minigastrin (clinical testing) Angiogenesis 18FArg-Gly-Asp peptide targeted to V3 integrin (preclinical te

28、sting) Cathepsin proteases （组织蛋白酶）Prosense (VM102) (preclinical testing)Antibody probesAngiogenesisParamagnetic nanoparticles using antibodies to integrin V3, the integrin V3 ligand, vascular cell adhesion molecule 1, E-selectin (preclinical testing) CEA (癌胚抗原)Arcitumomab (CEAscan), Satumomab (FDA a

29、pproved)Prostate-specific membrane antigen （前列腺特异性抗原）Capromab pendetide (ProstaScint) (FDA approved)CD20131I-labeled tositumomab (Bexxar), 90Y-labeled ibritumomab tiuxetan (Zevalin) (FDA approved) CD22Bectumomab (clinical testing)MRI分子影像学探针 MRI分子影像学探针主要靠对比剂改变周围组织中的质子的弛豫时间的来实现成像。目前磁共振成像常用的对比剂有：顺磁性复合物

30、，主要有钆、锰等大分子螯合物，以二乙三胺五醋酸钆（Gd-DTPA）为代表，是临床上应用最广泛的阳性对比剂。超顺磁性纳米颗粒，主要以超顺磁性氧化铁（SPIO）为代表，具有良好的生物相容性和MR信号敏感性，是分子影像领域常用的阴性对比剂。化学交换饱和转移（CEST）对比剂，具有选择性产生T1和T2对比及代谢显像等优点。CEST是一种阴性对比剂。Smart imaging agent：一类可以根据体内的环境改变结构的对比剂，主要有酶敏感性对比剂，pH敏感性对比剂和代谢敏感类对比剂。含Gd 分子影像探针的构建Gd离子是很好的核磁成像对比剂，涉及以Gd离子为基础的特异性分子探针的研究较多，主要常用的方法

31、有： 一、双向络合物介导的直接络合法 ：双向络合物DTPA及其衍生物既有共价结合修饰蛋白的功能基团，又有Gd的螯合基团，是常用的大分子物质的螯合物 目前已成功的实现了DTPA络合Gd和人肝癌、肺癌、结肠癌、大肠癌等抗体片断，合成分子成像探针。二、纳微粒载体介导的含Gd分子探针合成 用各种微米粒作为载体，包裹Gd后再与靶向性亲和组件连接。微粒的直径比较大，纳微粒很难通过正常的生理屏障，目前多用于肿瘤成像和血栓成像。 超顺磁性氧化铁一般由核心颗粒和包被物构成，核心颗粒主要是氧化铁晶体（Fe2O3或Fe3O4 ），包被物包括右旋糖酐、葡聚糖、离子鞘等。氧化铁纳米颗粒MRI磁性粒子造影剂成像原理肝、脾

32、成像淋巴结成像肿瘤成像巨噬细胞成像在通过静脉注射进人体后，磁性纳米粒子主要是由人体网状内皮系统中的吞噬细胞摄取，聚集在网状内皮细胞丰富的组织和器官如肝、脾、淋巴结中。动脉粥样硬化斑块中含有大量的巨噬细胞，磁性纳米粒子可以进入动脉粥样硬化斑块中，实现成像。Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology Volume 1, Issue 3, pages 272298, May/June 2009 Smart Paramagnetic AgentsAgentTargetEnzyme-sensitiveagents

33、Egadme-galactosidase（ 半乳糖苷酶）Gd-DTPA-(lys)3-HSATAFI（凝血酶激活的纤溶抑制物）Gd-DTPA-FALipase（脂肪酶）Gd-5-HT-DOTAMyeloperoxidase（髓过氧化物酶）Gd-bis-5-HT-DTPApH-sensitive agentsGd-DOTA-4-AmP5-pHGd-PAMAM-EPTPApHYb-DOTAM-GlypHAgents sensitive to metabolitiesYb（MBDO3AM）3+lactateEu-DOTA-tetraamide-bis（phenylboronate）GlucosePe

34、rfluorocarbon-Eu3+FibrinEnzyme-sensitiveagents 酶激活造影剂的设计原理是：将一些可作为酶底物的基团引入到造影剂中，使造影剂处于暂时“磁共振静默”的状态，此时造影剂表现出较低的弛豫效能；当特定的酶存在时，这些基团离去并使造影剂的弛豫效能有较大程度的增加。Meade研究组报道了第一种酶激活造影剂EgadMe。这类造影剂由-半乳糖基与Gd-DOTA配位部位相连，处于非酶体系中时，半乳糖基占据了钆离子的第九个配位点，阻止了该配位键与水分子的结合，造影剂对周围水分子的弛豫改变很小，但在-gal乳糖酶的作用下， -半乳糖基离去，这个自由的配位点立刻被水分子占据，从而使弛豫效能发生从低到高的不可逆转变。一、细胞内成像：靶分子可以特异地进入