作者单位：1.230032合肥，安徽医科大学武警总医院临床学院；2.100039北京，武警总医院消化内科

契伦科夫光学成像在肿瘤成像中的研究进展

查佳丽1,屈亚威2综述刘海峰2审校

【关键词】契伦科夫光学成像；肿瘤；研究

通讯作者:刘海峰,E-mail：haifengliu333@163.com

【中国图书分类号】R73-3

放射性核素可通过契伦科夫辐射(cerenkov radiation,CR)产生契伦科夫光(cerenkov iuminescence, CL)，对这种光进行成像的契伦科夫光学成像(Cerenkov luminescence imaging, CLI)是近年来出现的新型成像技术。多种放射性核素均可产生CL从而进行CLI，在临床前及临床研究中受到广泛关注，已经成为重要的分子影像学工具，并取得重要进展[1]。笔者着重就契伦科夫光在小动物肿瘤成像及临床成像的研究进展做一综述。

1　契伦科夫光与契伦科夫光学成像

CR是指高速带电粒子在非真空介质中穿行的速度大于光在这种介质中的穿行速度时，发出的一种以短波长为主的电磁辐射[2,3]。CR发出的以蓝紫光为主的可见光，称为CL。1934年，苏联物理学家契伦科夫(Cerenkov)发现了CR现象，并因此与弗兰克(Frank)及塔姆(Tamn)成功解释了CR原理而共同获得了1958年的诺贝尔物理学奖。CL信号较弱，早期并没有得到广泛应用。通过高灵敏的CCD相机及特别设计的成像暗箱和成像软件，可观测、记录这些光子并成像[2]，即CLI。

1.1CL根据CR原理，在一种给定的介质中，带电粒子速度超过光在此介质中的速度时产生CL。这条基本原则由βn>1确定临界值，n是折射系数，β则由粒子能量值决定[4]。在水中，电子的临界能量是0.264 MeV[4]。大部分β-衰变的放射性核素和几乎所有β+衰变的放射性核素都能够满足CL产生的条件[2]，α衰变的放射性核素产生的粒子理论上不会产生CL[5]。因为沉重的α粒子不具有足够的速度。然而，从α衰变放射性核素225Ac发出的光信号已经被检测到，这可能是由于225Ac的一个子代产物，主要是213Bi，其衰变是β-辐射，产生CL[6]。Ackerman等[7]经计算发现在初代α衰变与子代放射性核素产生的CL之间有比较明显的延迟。Liu等[8]发现 99mTc等少数纯γ衰变的放射性核素也不能检测到光信号， Axelsson等[4]发现用线性加速器加速电子或X线光子，也会产生CL。折射率(n)的改变，也可以影响CL信号。Yoo等[9]发现高折射率的CL探测器可探测非常低能量的β粒子。

不同放射性核素的CL光谱分布具有很大的相似性。CL光谱呈连续性分布，主要分布在200～500 nm波段，最大值在紫外光区域波段，不被其他波长影响[10]，在700 nm之后出现平台。

1.2CLI早在1971年，Nature的一篇简报已经报道过在兔子的玻璃体观察32P产生的CL[11]。直至2009年，Robertson等[12]采用高灵敏的CCD相机，首次对尾静脉注射18F-氟代脱氧葡萄糖(18F-Fluorodeoxyglucose,18F-FDG)的荷瘤鼠成功进行了成像。Liu等[8]采用多种核素探针进行小动物CLI，使多种放射性核素探针用于CLI成为可能。Ruggiero等[13]利用多种放射性核素标记的显像剂对荷瘤小鼠进行了CLI和PET显像，二者的相关性分析表明，光信号的强度随时间的变化与放射性核素的衰变规律相吻合，并且与放射性活度呈线性相关。

2　CLI在小动物肿瘤成像中的研究进展

自从Robertson第一次实现了小动物CLI[12]，这项技术便快速发展起来。CLI使很多常见的，广泛应用在临床的放射性核素实现光学成像，更重要的是，提供一种直接对β衰变的成像路径，为肿瘤成像提供了一种新的思路。除了应用在肿瘤诊断外，研究者还进行了一系列肿瘤相关的应用探索研究。

现代医学发展希望从疾病基因谱的水平解释疾病发生、发展，以达到针对性的诊断和治疗，而现有技术都不能直接基因水平实时可视化成像。2010年，Liu等[8]将突变型单纯疱疹病毒胸苷激酶(mutant herpes simplex virus thymidine kinase, HSV-sr39tk)质粒稳定转染C6神经胶质瘤细胞(C6-tk)，对荷C6和C6-tk肿瘤的小鼠18F的CLI和PET显像一致性良好，实现了通过CLI进行18F标记报告基因探针监测HSV1-tk报告基因的表达。2013年，Yang等[14]建立了基于CLI的针对miRNA的多峰性成像方法，为实现非侵袭性可视化miRNA表达提供新的方向，该项技术的发展为疾病更早期诊断和治疗提供了新的方向。

2010年，Liu等[8]验证CLI与PET显像具有良好的一致性。根据这个特性，研究者进行了一系列研究。Boschi等[15]进一步研究发现用动态CLI还可对荷瘤鼠进行药代动力学研究。另外，Xu等[16]予大细胞性肺癌H460细胞系荷瘤鼠贝伐单抗输注治疗，尾静脉注射18F后PET和CLI显示H460组明显减低的移植瘤信号， 他们认为该发现值得进一步探索和优化CLI替代PET用于监测肿瘤疗效和药物筛选。

由于肿瘤发展过程中直接浸润周围组织，导致外科肿瘤切除普遍存在手术边界模糊，术后无法快速准确判断是否切除彻底等问题。术中冷冻切片虽然可以判断肿瘤边界，但由于取材局限性，切片质量不高，有一定的延迟诊断率和误诊率。而术中肿瘤成像可以引导更好的手术切除和有效地术后管理。2011年，Holland等[17]用89Zr标记的去铁胺B单抗对HER2表达阳性的人乳腺癌BT-474荷瘤鼠进行CLI与PET显像，通过观察肿瘤切除前后手术区域CLI光学信号的变化，提出CLI在指导和监测肿瘤手术方面有优势。肿瘤切除后，是否有前哨淋巴结转移通常也在外科手术被考虑。Thorek等[18]发现通过皮下注射18F-FDG获得多峰成像进行PET和CLI联合诊断，发现CLI甚至在手术视野暴露前便可使淋巴结可视化，并可通过CLI指导淋巴结切除术。这些研究成果表明CLI不仅能指导肿瘤切除，还可发现转移的淋巴结。

Liu等[19]建立第一套CL的光纤成像系统，体外实验发现该系统的敏感性可以达到45 kBq(1.21 uCi)/300 μL；在荷瘤小鼠静脉注射18F-FDG后将肿瘤组织切除，通过光纤成像系统对离体肿瘤和术后肿瘤区域行CLI，发现两者信号差异较明显。 Kothapalli等[20]进一步研究，发现即使在仿真模型系统，低至1uCi的18F-FDG的CL仍可在传统光学纤维束和内镜系统传输。在C6神经胶质瘤荷瘤鼠的在体成像实验中，静脉注射18F-FDG(940-970uCi)，可以获得肿瘤组织和其他感兴趣区域的图像。这些研究表明，CL的内镜成像将会是CL发展的新方向，在内镜成像领域有很大发展空间。

CL的断层成像研究也是CL的一个主要研究方向。在2010年，Li等[21]以光学断层成像方法开展了基于匀质模型的契伦科夫光断层成像(Cerenkov luminescence tomography, CLT)研究，成功重建了模型中光源位置，并与CT融合，实现了CLT。而在同年, Hu等[22]研究了异质性小鼠模型的三维CLT，并用SPECT验证，结果表明CLT图像能够准确重现置入小鼠体内的131I光源位置，并且能够进行光信号强度相关的定量分析。Zhong等[23]发现，通过这项技术可以快速定位放射性核素的迁移。2011年，Spinelli等[24]建立了光子传输的DA模型和CL光谱分析模型，随后建立了基于CL光谱分析的多光谱契伦科夫光断层显像(multispectral Cerenkov luminescence tomography, msCLT)进行三维重建。对模型及动物的msCLT和CT融合成像数据发现，光源位置重建误差为0.9%～6.7%， 在6 mm深度的空间分辨率是1.5 mm，可与SPECT/CT相媲美。

3　契伦科夫光能量转移成像和契伦科夫光二次诱导成像在小动物肿瘤成像中的应用进展

光穿透组织时，可能被组织吸收或分散。血红蛋白在蓝紫波段光子吸收很强，近红外波段吸收率最小[25]，根据CL光谱性质，CL的组织穿透性较弱，限制了应用。如何对CL的信号进行增强和转换，以提升组织穿透性，弥补不足，是实现应用范围进一步扩展的关键。目前，契伦科夫光信号增强的主要途径是利用荧光激发效应实现[26]。Lewis等[27]用荧光染料与核素标记的显像剂混合。结果显示18F-FDG和荧光团的混合液比单独的18F-FDG能够产生更多的荧光，且多光谱的数据表明，18F-FDG和荧光团的混合液能够产生红色光谱段的位移，获得了更好的组织穿透性。这种荧光光谱较吸收光谱红移的现象被称为斯托克斯位移(Stokes shift)。Dothager等[28]用斯托克斯位移量子纳米颗粒(Qtracker 705)与18F和64Cu进行混合，也发现了CL光谱向红光谱段移动。结果表明这种纳米粒子可有效增加18F和64Cu产生的CL的波长。这种新的成像方式被命名为契伦科夫能量转移成像(cerenkov radiation energy transfer imaging,CRET)。体外实验发现CRET比高达8.8±1.1，而将含Qtracker的生物基底膜注入小鼠皮下发现，Qtracker 705浓度为200 nmol/L，5 min时的CRET比是2.1±0.2，而30 min时CRET比是1.8±0.2；Qtracker 705是500 nmol/L时，5 min时CRET比是3.5±0.3，30min时CRET比是2.2±0.3。除了以量子点为主的新兴纳米材料可作为增强转换元件外[28-30]，稀土颗粒或金属纳米颗粒[31-32]也可以实现对光信号的转换。Ma等[32]发现将合成的掺杂Er3+、Yb3+稀土粒子可以将100 uCi18F的组织穿透能力从不足5 mm提升到2 cm左右。2014年，Sun等[31]进一步研究发现，在量子点表面修饰64Cu纳米颗粒时测得的光强比64Cu在水中和单纯混合64Cu与量子点测得的光强都大。这种成像模式不需要外部辐射，给肿瘤成像又提供了一种策略。

2013年，Thorek等[33]提出另一种新的成像策略——契伦科夫光二次诱导激发成像(secondary cerenkov induced fluorescence imaging , SCIFI)，即通过CL的生物特异性荧光转换使用纳米粒子实现激活成像。体外实验发现，SCIFI的信噪比是普通成像的5.7倍。对肿瘤进行成像时，发现靶向的cRGD-QD605探针信号高于5倍非靶向成像。Thorek等[35]将金纳米粒子与荧光素标记的疾病相关肽序列IPVSLRSG耦合，发现高表达基质金属蛋白酶-2(MMP-2)的组PET信号稍强但不明显(P>0.05)，而SCIFI显示明显的活动性信号(P<0.001)。这提示我们可以使用纳米粒子或靶向探针实现多种分子同时激发，以达到非侵入性区分、定量肿瘤之间的异质分子，向个体化诊断和治疗又迈进了关键一步。

4　CLI的临床应用进展

尽管CLI已经广泛应用在动物模型的活体成像， 但由于受人类体型、器官深度、放射性核素浓度等问题，限制了CL向临床转化。目前只有2项研究实现了临床应用。

Spinelli等[34]证明，在甲状腺患者口服550 MBq131I 24 h后，甲状腺CLI显示良好的定位性，提示CLI是β-放射性试剂治疗的患者表浅器官成像的潜在工具。尽管Spinelli表明甲状腺亢进患者可实现CLI，但是实际在临床上，这种剂量的碘可以被甲状腺摄取，而使用在核医学的其他放射性核素则不能。因此在2014年，Thorek等[35]首次使用普遍治疗剂量的18F-FDG实现了淋巴瘤患者的淋巴结的CLI，发现PET阳性边的CLI信号强度显著高于PET阴性边，并发现可定位的活动性甚至低至0.05 MBq/ml。

5　展　　望

与传统方法相比，核素-契伦科夫双模态显像避免了对核素标记探针再次标记光学显像元件的繁琐程序和毒性隐患，极具发展潜力与临床应用价值，将光学与核素现象融于一身的CLI将会是一种在未来十分值得关注的显像方式。CL已经成功地用于肿瘤显像、疗效评估等多种小动物显像研究，并逐步用于浅表组织的临床显像研究。CRET和SCIFI虽然可提高光信号强度，但安全的荧光显像剂是一个挑战，未来就如何减少放射性核素的用量同时达到理想的成像效果仍有待进一步研究。

【参考文献】

[1]杨卫东，汪静.核素切伦科夫显像研究进展[J].功能与分子医学影像学(电子版)，2013,2(3)：217-220.

[2]马晓伟, 杨卫东, 汪静.切伦科夫光学成像研究进展[J].中华核医学与分子影像学杂志 ,2012, 32(1): 72-74.

[3]Lasedrager B, Tip A, Verhoeven J. Theory of Cerenkov and transition radiation from layered structures[J]. Phys Rev E Stat Phys Plasmas Fluids Relat Interdiscip Topics, 2000, 61(5B):5767-5778.

[4]Axelsson J, Davis S C, Gladstone D J,etal. Cerenkov emission induced by external beam radiation stimulates molecular fluorescence[J]. Med Phys, 2011, 38(7): 4127-4132.

[5]Beattie B J, Thorek D L, Schmidtlein C R,etal. Quantitative modeling of Cerenkov light production efficiency from medical radionuclides[J]. PLos One, 2012, 7(2): e31402.

[6]Mitchell G S, Gill R K, Boucher D L,etal. In vivo Cerenkov luminescence imaging: a new tool for molecular imaging[J]. Philos Trans A Math Phys Enq Sci, 2011, 369(1955): 4605-4619.

[7]Ackerman N L, Graves E E. The potential for Cerenkov luminescence imaging of alpha-emitting radionuclides[J]. Phys Med Biol, 2012, 57(3): 771-783.

[8]Liu H, Ren G, Miao Z,etal. Molecular optical imaging with radioactive probes[J]. PLos One, 2010, 5(3): e9470.

[9]Yoo W J, Han K T, Shin S H,etal. Development of a Cerenkov radiation sensor to detect low-energy beta-particles[J]. Appl Radist Isot, 2013, 81: 196-200.

[10]Chin P T, Welling M M., Meskers S C,etal. Optical imaging as an expansion of nuclear medicine: Cerenkov-based luminescence vs fluorescence-based luminescence[J]. Eur J Nucl Med Mol Imaging,2013,40(8):1283-1291.

[11]Das S, Grimm J, Thorek D L. Cerenkov imaging[J]. Adv Cancer Res, 2014, 124: 213-234.

[12]Robertson R, Germanos M S, Li C,etal. Optical imaging of Cerenkov light generation from positron-emitting radiotracers[J]. Phys Med Biol, 2009, 54(16): N355-365.

[13]Ruggiero A, Holland J P, Lewis J S,etal. Cerenkov luminescence imaging of medical isotopes[J]. J Nucl Med, 2010, 51(7): 1123-1130.

[14]Yang W, Qin W, Hu Z,etal. Comparison of Cerenkov luminescence imaging (CLI) and gamma camera imaging for visualization of let-7 expression in lung adenocarcinoma A549 Cells[J]. Nucl Med Biol, 2012, 39(7):948-953.

[15]Boschi F, Calderan L, D’Ambrosio D,etal. In vivo 18F-FDG tumour uptake measurements in small animals using Cerenkov radiation[J]. Eur J Nucl Med Mol Imaging, 2011, 38(1): 120-127.

[16]Xu Y, Chang E, Liu H,etal. Proof-of-Concept study of monitoring cancer drug therapy with Cerenkov luminescence imaging[J]. J Nucl Med, 2012, 53(2): 312-317.

[17]Holland J P, Normand G, Ruggiero A,etal. Intraoperative imaging of positron emission tomographic radiotracers using Cerenkov luminescence emissions[J]. Mol Imaging, 2011, 10(3): 177-186, 1-3.

[18]Thorek D L, Abou D S, Beattie B J,etal. Positron lymphography: multimodal, high-resolution, dynamic mapping and resection of lymph nodes after intradermal injection of 18F-FDG[J]. J Nucl Med, 2012, 53(9): 1438-1445.

[19]Liu H, Carpenter C M, Jiang H,etal. Intraoperative imaging of tumors using Cerenkov luminescence endoscopy: a feasibility experimental study[J]. J Nucl Med, 2012, 53(10):1579-1584.

[20]Kothapalli S R, Liu H, Liao J C,etal. Endoscopic imaging of Cerenkov luminescence[J]. Biomed Opt Express, 2012, 3(6): 1215-1225.

[21]Li C, Mitchell G S, Cherry S R. Cerenkov luminescence tomography for small-animal imaging[J]. Opt Lett, 2010, 35(7): 1109-1111.

[22]Hu Z, Liang J, Yang W,etal. Experimental Cerenkov luminescence tomography of the mouse model with SPECT imaging validation[J]. Opt Express, 2010, 18(24): 24441-24450.

[23]Zhong J, Qin C, Yang X,etal. Fast-Specific tomography imaging via Cerenkov emission[J]. Mol Imaging Biol, 2011, 14(3): 286-292.

[24]Spinelli A E, Kuo C, Rice B W,etal. Multispectral Cerenkov luminescence tomography for small animal optical imaging[J]. Opt Express, 2011,19(13):12605-12618.

[25]Weissleder R, Ntziachristos V. Shedding light onto live molecular targets[J]. Nat Med, 2003,9(1):123-128.

[26]康飞，杨卫东，汪静.对切伦科夫光学成像应用前景的思考[J].医学争鸣,2013,4(6)：31-33.

[27]Lewis M A, Kodibagkar V D, Oz O K,etal. On the potential for molecular imaging with Cerenkov Luminescence[J]. Opt Lett, 2010, 35(23): 3889-3891.

[28]Dothager R S, Goiffon R J, Jackson E,etal. Cerenkov radiation energy transfer (CRET) imaging: a novel method for optical imaging of PET isotopes in biological systems[J]. PLoS One, 2010,5(10):13-300.

[29]Liu H, Zhang X, Xing B,etal. Radiation -luminescence-excited quantum dots for in vivo multiplexed optical imaging[J]. Small, 2010, 6: 1087-1091

[30]Carpenter C M, Sun C, Pratx G,etal. Radioluminescent nanophosphors enable multiplexed small-animal imaging[J].Opt Express, 2012,20(11):11 598-11 604.

[31]Sun X, Huang X, Guo J,etal. Self-illuminating 64Cu-Doped CdSe/ZnS nanocrystals for in vivo Tumor Imaging[J]. J Am Chem Soc, 2014, 136(5): 1706-1709.

[32]Ma X, Kang F, Xu F,etal. Enhancement of Cerenkov luminescence imaging by dual excitation of Er3+,Yb3+-doped rare-earth microparticles[J]. Plos One, 2013, 8(10): e77926.

[33]Thorek D L, Ogirala A, Beattie B J,etal. Quantitative imaging of disease signatures through radioactive decay signal conversion[J]. Nat Med, 2013, 19(10): 1345-1350.

[34]Spinelli A E, Ferdeghini M, Cavedon C,etal. First human Cerenkography[J]. J Biomed Opt, 2013,18(2):502.

[35]Thorek D L, Riedl C C, Grimm J. Clinical Cerenkov luminescence imaging of 18F-FDG[J].J Nucl Med, 2014, 55(1): 95-98.

(2015-01-12收稿2015-03-11修回)

(责任编辑张楠)