前沿讲座-核分子影像学导论

分子影像学导论

侯桂华

山东大学医学院实验核医学研究所

88382096

主要内容：1概述2分子识别和靶分子3核分子探针4核探测仪器5分子影像学在临床医学中的应用6分子影像学在根底医学中的应用7分子影像学在新药研究中的应用经典的影像诊断(CT、MRI等)主要显示的是一些分子改变的终效应,具有解剖学改变的疾病;而分子影像学通过发展新的工具、试剂及方法,探查疾病过程中细胞和分子水平的异常,在尚无解剖改变的疾病前检出异常,为探索疾病的发生、发展和转归,评价药物的疗效,为分子水平疾病的治疗开启了一片崭新的天地。影像医学开展到现在逐渐形成了3个主要阵营:(1)经典医学影像学:以X线、CT、MRI、超声成像等为主,显示人体解剖结构和生理功能;(2)以介入放射学为主体的治疗学阵营(3)分子影像学:以MRI、PET、光学成像及小动物成像设备等为主,可用于分子水平成像。"三者是紧密联系的一个整体,相互印证,相互协作“以介入放射学为依托,使目的基因能更准确到达靶位,通过分子成像设备又可直接显示治疗效果和基因表达。因此,分子影像学对影像医学的开展有很大的推动作用,使影像医学从对传统的解剖、生理功能的研究,深入到分子水平的成像,去探索疾病的分子水平的变化,将对新的医疗模式的形成和人类健康有着深远的影响。与经典影像诊断学不同，分子影像学是着眼于探测构成疾病根底的分子的异常，而不是对由这些分子改变所构成的最终结果进行成像。其突出特点是用影像的手段非侵入性地对活体内的参与生理和病理过程的分子进行定性或定量可视化观察.分子影像学的研究目的在于:〔1〕在体内直接观察到疾病起因、发生、开展一系列的病理生理变化和特征，而不单单是疾病终末期的解剖改变。比方，通过对肿瘤发生过程中关键标记〔Marker〕的分子影像学显像，从而得知疾病开展过程、进展阶段。而在疾病的发生、形成阶段进行有效的干预，往往可以逆转、阻止或延缓其发生。〔2〕在治疗上，在治疗的极早期就可以反映出治疗的疗效。如应用于化疗的疗效评价，不必在治疗多个疗程后复查肿瘤的大小变化〔这是非常不敏感的方法〕，只要反映治疗药物的作用靶点有没有变化，药物作用过程中一些关键的分子标记〔Maker〕有没有改变，即可推论这种治疗有没有产生效用。这种极其敏感的评价方法在治疗疗效评价中有着巨大应用价值。〔3〕在药物开发与临床应用方面，可以极大加快药物的研制、开发、临床前研究时间。目前治疗肿瘤药物临床前疗效分析是在实验动物上进行的，主要观察移植瘤有没有缩小，根据缩小的程度来比较不同药物疗效，从而筛选出最正确的药物进入临床前研究。既往方法对药物在体内如何作用、抗癌作用具体细节一无所知，这种极为粗糙、不科学的研究方法，极大延缓了药物开发。而采用分子影像学的研究方法，通过设计特异性探针，直接在体内显示药物治疗靶点的分子改变，通过建立高通量的影像学分析系统，可大大有助于药物的筛选和开发〔4〕基因功能分析以及基因治疗的研究方面:目前有关基因功能分析方法，都采用体外实验分析，而体外实验分析的结果可能与基因在体内实际作用出现偏差。采用分子影像学的方法，基于基因功能及信号通道知识，通过设计一系列特异性探针，建立高通量的基因功能体内分析系统，可望实时显示该基因在体内的作用过程。在基因治疗方面，可在体内观察基因载体在体内转基因表达的有效性，如体内观察基因治疗药物有没有到达治疗部位、靶点组织和细胞;判断体内转基因情况以及效率是否足够产生临床疗效;转基因后组织细胞分子学改变、以及发挥的治疗作用机制，与体外研究是否一致，是否在体内受到其它因素的干扰;体内直接评价治疗的疗效要成功实现活体内实时、特异性分子显像，必须克服以下困难:〔1〕寻找特异性分子探针。这类分子探针可以是受体配体、特异性酶的底物等小分子，也可以是抗体、蛋白等大份子。它必须具备高亲和力，与体内细胞或组织的靶点进行特异性结合，并且具备特殊的药代动力学特征，如在靶组织内有效聚积，与靶结构结合持续一段时间后，体内能够较完全的去除。〔2〕这些特异性分子能够克服各种生物屏障，如血管、细胞间隙、基底膜、血脑屏障等，最后能够顺利通过细胞膜、核膜等，与靶点进行结合。〔3〕放大体内影像学信号，目的是获得清晰的影像学图像应用于诊断。由于体内靶组织或靶细胞的含量可能有限，分子探针与靶点结合后，获取的影像学信号可能很弱，因此需要相当水平的信号放大系统。分子影像学成像种类1光学成像凭借软组织对光波的不同吸收与散射识别不同成分，并且可利用天然色团所特有的吸收获得功能信息。光学成像方法主要有弥散光学成像、多光子成像、活体显微成像、近红外线荧光成像及外表共聚焦成像等2超声成像超声分子成像主要是指将微泡造影剂通过血管进入靶组织，观察靶区在组织水平、细胞及亚细胞水平的成像，借以反映病变区组织在分子根底方面的变化。利用超声微泡造影剂介导可发现疾病早期在细胞和分子水平的变化，有利于更早、更准确地诊断疾病。在临床研究中，主要应用核分子探针对肿瘤和神经系统等疾病进行分子水平的诊断和研究。在根底研究中应用更为广泛，如评价内源性基因或整入基因的转录与翻译；评价底物的合成、代谢与转运；评价细胞间配体受体反响等。

二、分子识别理论和靶分子

靶分子和核分子探针相互作用的根底是分子识别理论。分子识别是一种普遍的生物学现象，是指分子与分子之间选择性的相互结合和作用的过程。它几乎发生在细胞间和细胞内每一步生化过程。分子识别包括蛋白质与蛋白质、肽与肽、核酸与核酸等。１、受体与配体的分子识别

人体内很多生理机制都是受体与配体的识别和相互作用的过程。很多疾病的发生和开展也往往反映在与配体结合的受体数量、密度和亲和力的变化。了解了受体的结构及与配体相互作用的机制后，我们就可以利用放射性核素标记配体〔核分子探针〕，在体内直接探测受体〔靶分子〕在生理和病理状态下质与量的变化。图

乙酰胆碱受体结构模型

图G蛋白耦联型受体为7次跨膜蛋白

受体主要的生物学特性有：

〔１〕特异性：受体与配体的结合是专一的。

〔２〕亲合性：即受体与配体的结合能力，一般用解离常数〔Ｋｄ〕表示。Ｋｄ是指配体占据半数受体所需配体的浓度。Ｋｄ值越小说明亲和力越高。

〔３〕饱和性：受体结合能力是有限的，一个细胞所含的受体数一般在１０３～１０５。

〔４〕可逆性：受体与配体的结合为非共价键结合，结合快，解离也快。

２、抗原与抗体的分子识别

利用放射性核素标记抗体分子〔核分子探针〕，利用高灵敏性的核探测仪在体外直接探测体内抗原分子〔靶分子〕分布的状况。为疾病的诊断和治疗提供早期的、可靠的、活体的影像学资料

由于抗体的分子量比较大，分子穿透力小，不易到达病变部位。另外，异种抗体的免疫原性较强，易产生ＨＡＭＡ效应。所以抗体的小型化和制备人源抗体是本领域的两大核心课题。３、酶与底物的分子识别

酶是另一类具有分子识别功能的蛋白质，它与底物的作用具有专一性。底物分子只能结合在酶活性中心的特异的结合部位才能发生作用。

４、特异蛋白之间的分子识别

体内某些蛋白质与蛋白质之间有特定的结合能力。例如甲状腺素与甲状腺结合球蛋白的结合。生物素和亲和素的特异结合等等，也都是遵循分子识别机理的生物学行为。

５、核苷酸链之间的分子识别

单链反义核糖核酸〔ＲＮＡ〕与细胞质内的ｍＲＮＡ，反义脱氧核糖核酸〔ＤＮＡ〕与靶基因ＤＮＡ链的互补链的结合等。

６、蛋白质与核酸分子的分子识别

某些激素分子可进入细胞内，它可与细胞核内的受体结合，形成激素－受体复合物，进而导致受体构象变化而形成复合物二聚体。复合物二聚体通过特异的ＤＮＡ序列－激素反响元件识别、结合基因调控序列，最终到达调节转录的目的三、核分子探针

核分子探针是决定核分子影像成功的关键。它由放射性核素和配基〔被标记的特定化合物〕两个局部组成。核分子探针的品质决定于配基、放射性核素和放射性标记过程。１、配基Ligand核分子探针的配基可以是化学合成分子或生物分子，但它们都必须具有活体生物学的兼容性，以平安地进入活体内。而且能以分子的形式参与活体的生理过程、病理过程或生化反响。核分子探针的含量非常少，核分子探针和靶分子的相互作用必须是高度特异的在放射性标记的配体方面，除了各种新的化学合成物外，生物活性物质，特别是基因重组的生物活性物质更多地出现。小分子的配体似乎更引人注目，用于受体显像的受体冲动剂和拮抗剂、用于肿瘤显像的小分子多肽、用于ｍＲＮＡ显像的反义寡核苷酸等。２、放射性核素

正电子显像使用最多的是18F-FDG。在单光子显像使用最多的是９９ｍＴｃ标记的各类化合物。加速器生产的核素开始进入根底医学和临床医学研究。18F、123I、111In、11C、13N等核素将被更多的应用。新的核素发生器如188W－188Re等也已在临床崭露头角。

３、放射性标记过程

放射性核素的标记方法，一般有化学合成法、生物合成法和交换法。在标记过程中，重要的是提高标记率而又能缩短标记时间、简化标记步骤。既要牢固地使放射性核素和配体结合，又要不影响配体固有功能基团和生物学活性。更为重要的是，核分子探针在体内要具有稳定性和理想的动力学过程。

〔２〕抗体分子探针

设计肿瘤相关抗原的抗体分子，进一步对肿瘤进行深入的研究。在临床的鉴别诊断和治疗中其价值更大。国外已有几个放射免疫显像剂被批准上市。〔３〕抗体片段探针、多肽探针、反义寡核苷酸探针

大分子探针显像时血本底高，血内滞留时间长，靶器官的浓聚并不理想，机体的免疫反响性等问题，严重影响了分子影像的质量，所以小分子探针的研究尤为重要。放射性核素标记的单克隆抗体片段物、人鼠嵌合抗体、基因重组的生物活性物质、小分子的生物多肽、反义寡核苷酸等都已进入小分子探针领域。EmissionComputedTomography

〔ECT,发射型计算机断层〕Tomographyistheprocessofproducingapictureofasectionorslicethroughanobject.Inmedicalimagingtomographyisperformedeitherbytransmittingxraysthroughanobject(asintransmissioncomputedtomography,TCTorCT),bymeasuringprotondensity(MRI),orbytomographicallydeterminingthedistributionofradioactivityinapatient(ECT〕.1、SPECT

〔单光子发射型计算机断层〕SPECT：SinglePhotonEmissionComputedTomography.Radiopharmaceuticalsemitasinglephoton.witharotatinggammacamera(withsingledetectorormulti-detector)mountedonaspecialgantrythatallows360-degreerotationaroundthepatient.Resolution

，Sensitivity

SPECT２、PET〔正电子发射型计算机断层〕PET：PositronEmissionTomography.Positronemittingradionuclides:Electroniccollimation：SensitivityAccurateAttenuationCorrection.Resolution(about4mm〕.Agreaterquantitativeaccuracyandprecision.PET/CT

ＰＥＴ是目前核分子影像学最先进的核显像设备。ＰＥＴ的放射性探测效率、空间分辨率、探测灵敏度、均匀度、比照度和重复性等各项仪器指标都明显优于ＳＰＥＣＴ，可定量地得到体内生化代谢和功能变化的核分子影像图。高能正电子成像实际上是正负电子对湮灭辐射时，产生了一对方向相反，能量相同〔511keV〕的γ光子。PET在体表探测体内γ光子的强度，并通过计算机图象处理而成像。PET常用的晶体为锗酸铋〔BGO〕，为了提高探测效率，目前采用的新晶体还有镥酸硅〔LSO〕及钇酸硅〔YSO〕等。另有报导，新的半导体探测器也将用于PET成像，雪崩灵敏二极管和位置灵敏光电倍增管等也都被尝试用来提高PET的探测效率。４、融合探测仪

融合探测仪的创新是医学工程学的又一个研究重点，能将探测对象的解剖图像、功能图像和代谢图像融合在一起，为临床医学提供了一个更为实用的新领域。例如ＳＰＥＣＴ与ＣＴ、ＰＥＴ与ＣＴ、ＰＥＴ与ＭＲＩ的融合等。其中在肿瘤显像和心血管显像等方面已经取得了很好的效果。甚至才问世不久MicroPET也已经有了和MicroCT融合的新仪器。一些更新的融合探测仪还会在未来的实践中出现，使整个核医学工程学的进展显得更为引入注目。五、核分子影像学在临床医学的应用研究

核分子影像学在临床医学的应用研究十分广泛，这里仅就近年的研究工作来展望核分子影像的前景。

由于核医学显像仪器测量效率的分辨率低于ＣＴ和ＭＲＩ中枢神经系统解剖显像，因此在神经系统显像的形态影像学方面ＣＴ和ＭＲＩ占有明显的优势。但是自从脑功能灌注显像的问世，核医学在脑部的功能显像以及在神经系统的功能性疾病转归的诊断方面表达了它的优越性，并引起了临床医生的注意。国家一类新药９９ｍＴｃ－ＥＣＤ脑血流灌注血象剂，在癫痫、脑血流功能疾病的诊断有突出的应用。

5-HT1Areceptorantagonist,WAY100635.[Carbonyl-C11]WAY-100635intheHumanBrain

ESTROGENRECEPTORIMAGING–imagesofthebreastfrom2patientswithbreastcancer.ThetoppatienthasasmallER+tumor(thinarrow)seenwithbothFDGandFES.ThebottompatienthasalargeER-tumor(thickarrow)well-seenonFDGbutabsentofFES,indicatingalackofestrogenreceptors.CEAScanCTScan六、核分子影像学在根底医学的应用研究

核分子影像学在根底医学的应用研究十分广泛，特别是随着人类基因组学和蛋白质组学的开展更是拓宽了核分子影像学在根底医学的应用研究范围。１、受体显像

受体是细胞膜或细胞内的一类大分子，与受体特异结合的分子称配体。受体研究涉及到细胞之间、细胞与其他分子之间的识别、信息传导及细胞生理或病理反响等根本的生命现象。现代生物学和医学十分注目的这个研究领域，目前已开展成为一门新兴的受体学。

２、基因显像

基因显像是利用放射性核素标记的基质〔探针〕，在ＤＮＡ、ｍＲＮＡ或蛋白质水平上无创伤性地显示基因及其表达产物的功能动力学变化，来进行医学研究。基因显像有多种的方法，例如报告基因显像。由于ＰＥＴ报告基因显像不需要为所研究的每一种新基因开发特异蛋白的探针，因而成为一种通用的显像方法。Figure4Principleofimagingwithareportergene.Areportergenedrivenbyapromoterofchoicecanbedeliveredintotargetcells.Ifthereportergeneisexpressed,theproteinmade(shownasspheres)canspecificallytrapareporterprobe.Inthosecellsinwhichthereporterproteinisnotpresent,thereporterprobecanenterthecell,effluxbackout,andbeclearedfromtheblood.Thereportergenecanencodeforaintracellularproteinorareceptorthatcanbeintracellular,onthecellsurface,orboth.ThisapproachisageneralapproachforimaginggeneexpressionbecausemanydifferentprocessescanbestudiedbyusingdifferentpromotersFigure5Micro-positronemissiontomography(microPET)imagingoftheherpessimplexvirustype1thymidinekinase(HSV1-tk)reportergeneinatransgenicmouse.Atransgenicmousewasdevelopedinwhichineverycellofthemouse,theHSV1-tkreportergeneispresent.However,becausethisreportergeneisdrivenbythealbuminpromoter,onlycellsinwhichalbuminisexpressed(predominantlyhepatocytesintheliver)willleadtoexpressionofHSV1-tk.ThemicroPETtomographicimage(coronalview)shownwasobtained~60minaftertheinjectionoffluorine-18labeledpenciclovir(FHBG)(aprobespecificfortheHSV1-tkreportergeneproduct).３、反义显像

反义显像是根据反义互补的原理，制备与靶ＤＮＡ或ＲＮＡ特定序列互补的寡核苷酸链〔反义寡核苷酸，ＡＳＯＮ〕通过体内杂交，到达封闭或显示靶序列的目的。反义显像时，先可利用放射性核素标记某一特定序列的反义寡核苷酸〔ＲＡＳＯＮ〕作为ＰＥＴ反义分子探针，在体内与相适应的ｍＲＮＡ片段可到达特异的结合。通过ＰＥＴ显像以反映目标ＤＮＡ的转录情况。Figure3Imagingwitharadiolabeledantisenseoligodeoxynucleotide(RASON).AsmallRASONmoleculecanbesynthesizedeasilytotargetaparticularportionofamRNAspecifically.Ifthisprobecansuccessfullyentercells,itcanbeusedtodetectlevelsoftargetmRNAthroughimaging.NonspecificinteractionoftheRASONwithothermRNAandproteinsisalsopossible.InthosecellsinwhichthetargetmRNAisnotexpressed,theRASONwouldeffluxbackoutofthecell.ThisapproachisinearlystagesofdevelopmentTable1Positron-emittingradionuclidesofinterest

forbiomedicalstudiesRadionuclideHalf-lifeProduction11C

13N

15O

18F

62Cu

64Cu

68Ga

76Br

124I

20.3min

9.97min

122sec

109.8min

9.74min

12.7hr

68.1min

16.1hr

4.17days

Cyclotron

Cyclotron

Cyclotron

Cyclotron

62Zn/62Cugenerator

Reactor,cyclotron

68Ge/68Gagenerator

Reactor,cyclotron

Reactor,cyclotron

Inthepastseveralyearsconsiderableefforthasgoneintodevelopingwaystovisualizeamyloiddepositioninthebrainsoflivingpeople.Recently,investigatorsattheUniversityofPittsbu