柳梅，冷德文，范学朋

武汉市第一医院重症监护室，湖北武汉 430022； *通讯作者 范学朋 66799073@qq.com

分子影像学是运用影像学方法显示组织水平、细胞水平和亚细胞水平的特定分子，反映活体状态下分子水平的变化，对其生物学行为在影像方面进行定性和定量研究。分子影像是一个新兴的跨学科领域，融合了分子生物学、物理学、化学、放射医学、核医学、计算机医学等多个学科，其主要成像方法包括5类[1]：①光学成像：包括生物发光成像、荧光成像（fluorescence imaging，FI）、光声成像（photoacoustic imaging，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）；③CT；④MRI；⑤超声（US）。单一的显像方法往往存在局限性，难以同时满足对灵敏度、特异性、靶向性等的要求。多模态分子影像中的分子探针能同时进行多种方式的显像，克服了单一显像方式的不足，实现了优势互补，拓宽了分子影像技术的应用范围。多模态分子显像分为直接显像和间接显像，均需构建相应的分子探针。直接显像指标记探针直接与目标靶特异性结合达到显像的目的，直接显像的多模态探针需要针对一个目标靶向蛋白连接不同的显像功能基团，此方法需要对每一个靶构建相应的探针，且受到偶联位点数目的限制。间接显像指通过报告探针对报告基因表达产物进行特异性的捕获而显像。本文拟对多模态分子影像的最新研究进展进行综述。

1 多模态分子探针的构建

1.1 PET/光学成像双模态探针 常用的PET/光学成像探针有基于64Cu-量子点、基于86Y-近红外或111In-近红外的双模态探针等。基于64Cu-量子点具有较大的表面积，有利于对成像功能基团进行修饰[2]。Hong等[3]利用氧化锌纳米粒子（ZnO NPs）和64Cu，IgG1与CD105（endoglin）的嵌合型单克隆抗体（TRC105）结合，研制了具有良好的载体PET显像和肿瘤血管光学成像功能的探针。基于86Y、111In或64Cu的分子探针较11C和19F的半衰期长，易螯合，具有一定的成像优势。

1.2 MRI/光学成像双模态探针 MRI/光学成像双模态探针是比较成熟的技术，MRI的敏感度高，而光学成像的灵敏度高，两者结合提高了诊断准确性，随着纳米科技的发展，越来越多的材料用于构建MRI/光学探针，如荧光染料、功能性量子点、纳米金和稀土材料[4]。Zhang等[5]合成了结合有半导体聚合物量子点和光敏剂的脂质体微粒（Pdots/Ce6@lipid-Gd-DOTA）用于MRI/PAI，且同时具有光动力和光热的治疗作用。上述结果表明，该探针的细胞毒性非常低，并能显著增强MRI和PAI信号对比度，同时提供了肿瘤的解剖信息和形态信息。

1.3 MRI/CT成像双模态探针 MRI/CT探针构建方式多样，Jin等[6]合成了以镧系为基础的具有高敏感性、生物相容性好、合成过程简单的多模态MRI/CT纳米探针，即聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）修饰的稀土参杂的NaGdF4纳米颗粒（PEGylated Dy-doped NaGdF4）。实验结果表明，该探针能显著增强注射后24 h肝脏、脾脏、肾脏的MRI对比度，并具有很强的X射线信号增强效应。

1.4 PET/MRI成像双模态探针 目前，已有成熟的PET/MRI显像设备，相应的PET/MRI分子探针也开始逐步用于科研和临床，如基于124I纳米材料、64Cu-纳米材料和111I-超顺磁纳米的PET/MRI多模态分子探针。

1.5 PET/MRI/声光成像三模态探针 近年来，三模态探针逐渐成为研究热点，Kim等[7]成功研制了具有增强近红外荧光信号的PET/MRI纳米硅探针，实现了活体内前哨淋巴结的监测，利用荧光染料被刚性二氧化硅包裹时能促进辐射跃迁，增加荧光强度和量子产率，将荧光染料NIR797包裹于二氧化硅纳米粒子内，制成MNP-SiO2（NIR797），再把放射性元素68Ga标记于MNP-SiO2（NIR797）表面，获得了PET/MRI/FI三模态探针。Qin等[8]的研究实现了单一报告基因探针的三模态成像，与传统的将不同报告基因联合在一起实现多模态显像不同，其利用带酪氨酸酶（tyrosinase，TYR）编码的质粒转染人乳腺癌细胞MCF-7，TYR是黑色素生成的限速酶，黑色素能吸收光实现光学成像，将黑色素与18F-FHBG结合，实现PET成像，且因黑色素带有大量的阴离子，与铁结合后实现了MRI，将MCF-7-TYR接种于荷裸鼠前臂，具有较好的载体光声成像、MRI和PET成像效果，见图1。

图1 三模态报告基因用于PET、MRI及光声成像

此外，SPECT/光学、SPECT/CT/光学、SPECT/MRI等多模态分子探针也有报道，随着研究的深入，相信会有更多的构建简便、成像效果好、毒副作用小的分子探针相继出现。

2 多模态分子探针的应用

多模态分子显像融合几种不同成像技术，能记录从单细胞到活体分子水平的信息，广泛用于肿瘤成像、免疫细胞迁徙、干细胞治疗、转基因动物或反映活体分子水平。

2.1 肿瘤分子成像 肿瘤的发生常伴随着细胞表面受体、信号通路、代谢的改变，基因的异常突变导致肿瘤细胞大量增殖、免疫逃逸、血管新生、凋亡受抑、侵袭转移、微环境改变等。上述改变均有可能成为多模态分子影像探测的靶点[9]。传统的单一成像模式受分辨率、敏感度、穿透深度等的限制，难以发现早期的肿瘤，对肿瘤的定位、定性诊断较困难。多模态分子影像将同时具有多种显像功能的分子探针注入机体，实现多种显像，获得较全面的病变部位的信息。Xin等[10]用碳酸氢钠刻蚀介孔硅包裹的实心硅，形成中空介孔二氧化硅（hollow mesoporous silica nanocapsules，HMSs），在其表面修饰巯基和负载金纳米颗粒作为种子，然后在氯金酸溶液中生长为纳米金星（nanostar，NS）负载的HMSs，并包裹全氟已基（perflurohexane，PFH）和修饰一端为-SH的PEG，合成了多模态分子探针HMSs@Au-PFH-PEG NSs。静脉注射或肿瘤内注射该探针可用于肿瘤的US/CT/PA/热成像。在多模态分子探针上连接肿瘤特异性基团可以进一步提高探针的靶向性，An等[11]连接五甲川吲哚菁染料（Cy5）和18F-PET探针，合成了用于荧光显像和PET显像的探针，该探针结合了荧光显像稳定时间长和PET成像穿透性强的特点，并具有自由羧基，能连接多种肿瘤特异性的生物分子标志物，用于肿瘤的特异性多模态成像。通过对分子探针的修饰，可以延长探针的血浆半衰期，增加其在肿瘤内的聚集浓度，进一步提高显像质量。Xu等[12]合成了双聚乙二醇修饰的纳米石墨烯四氧化三铁复合物，该PET/MRI/PA三模态分子探针具有较长的血浆半衰期（约27.7 h），在肿瘤内的聚集度大于11%ID/g。多模态分子探针不仅可以用于肿瘤的诊断性成像，还可用于肿瘤切除的术中成像导航。Kircher等[13]合成了MRI/PA/Raman三模态分子探针，术前利用MRI行初步肿瘤定位，术中行PAI检测深层肿瘤，并利用Raman显像确定肿瘤边缘，实现肿瘤的精确切除。

2.2 干细胞监测 干细胞的监测主要分为干细胞移植后监测和肿瘤干细胞的监测。干细胞具有自我更新和多向分化的潜能，可用于治疗多种器官组织的损伤，在再生医学领域中具有极重要的地位。然而，传统监测干细胞移植效果的方法多为有创性，且操作复杂，分子影像学的发展使监测干细胞移植后的定位、存活、分布、分化等成为可能。而多模态分子探针的发展进一步弥补了单种监测手段的不足。Pei等[14]研制的新型探针TGF融合了I型单纯疱疹病毒胸腺嘧啶核苷激酶（HSV1-tk）、增强绿色荧光蛋白（enhanced fluorescent protein，eGFP）和萤火虫荧光素酶（firefly luciferase，Fluc），构建携带上述报告基因的腺病毒载体（Ad5-TGF），转染SD大鼠的骨髓间充质干细胞，在转染复数为100时达到最高转染率（70%）。转染细胞131IFIAU摄取率与腺病毒滴度和转染时间呈正相关（R2=0.9598，P＜0.05），并在3 h后到达平台值（5.3%），载体实验显示，经尾静脉注射Ad5-TGF后，SD大鼠的肿瘤区域显示出良好的荧光信号、生物光学信号和PET成像效果[14]。

肿瘤干细胞是肿瘤启动、进展、防御、再发、转移中的关键因素，对肿瘤干细胞的监测有利于了解疾病的严重程度、治疗效果及预后。CD44是多种肿瘤干细胞的标志物，成为潜在的肿瘤治疗靶点。Al Faraj等[15]合成了生物相容性的CD44抗体多模态单壁碳纳米管载体用于监测乳腺癌肿瘤干细胞，该纳米载体能聚集于CD44受体丰富的区域，同时实现MRI、SPECT和近红外荧光成像。

2.3 心脑血管疾病成像 心脑血管疾病是临床常见病，发生率高，心血管急症往往病情凶险，预后评估及治疗监测方法有限。粥样硬化斑块尤其是不稳定斑块是引起急性冠状动脉综合征、脑卒中及其他部位血管栓塞的主要因素。多模态分子探针已用于鉴定粥样斑块性质、心肌灌注显像、存活心肌功能检测等。PET心肌灌注显像已广泛用于临床，有助于获得心肌细胞的功能学信息，了解局部灌注情况，但其提供的解剖学信息不足，不能显示冠状动脉的狭窄程度，而MRI显像或CT显像对解剖病变有较好的分辨率，两者结合能为心血管疾病的诊断及治疗提供更详细准确的信息。预测粥样斑块的稳定性是评估冠心病风险的一个重要方面，传统的血管造影并不能鉴别稳定斑块和易损斑块。斑块内巨噬细胞的聚集密度和区域与斑块的稳定性相关，Jarrett等[16]构建64Cu-M-BSA（马来酰牛血清白蛋白）对动脉粥样硬化模型大鼠和小鼠行PET/MRI双模态成像，PET用于显示巨噬细胞聚集区域，而MRI进一步以高分辨率显示了巨噬细胞的分布，免疫组化结果表明PET/MRI在动脉粥样硬化方面的诊断潜力较大。Ding等[17]合成了直径为80 nm的能用于CT成像和光学成像的双模态量子点-碘油乳剂，该双模态成像结合了CT成像的高分辨率和光学成像的高敏感度。体外微CT和共聚焦显微镜细胞图像结果表明，巨噬细胞能内噬大量的该量子点-碘油纳米乳剂。体外CT和荧光成像结果表明该纳米乳剂能特异性地结合模型兔粥样斑块内的巨噬细胞，实现斑块的双模态显像。除纳米乳剂外，纳米金属也可以用于粥样斑块的多模态显像，Qin等[18]合成了钆（III）-金纳米棒（GdIII-GNRs）来示踪巨噬细胞，该探针同时具有磁性和近红外吸收特性，并能被巨噬细胞内噬，增强粥样斑块的MR和光声信号。多模态成像不仅可以用于粥样斑块成像，也可以用于Takayasu动脉炎等其他血管疾病。18F-FDG PET/CT用于诊断Takayasu动脉炎时敏感度达78%，特异度达87%，在血沉增快的患者中敏感度更高。此外，PET/MRI也可以用于诊断Takayasu动脉炎，并较PET/CT更具优势[19]。

3 多模态显像设备的发展

3.1 PET/CT显像设备 PET/CT将PET和CT获得的解剖学信息进行融合。通过将正电子核素示踪剂注射入体内，PET通过探测示踪剂在人体内的分布情况显示组织或靶器官的生理、病理、生化及代谢情况，其缺陷在于对图像的解剖结构显示不清楚，结合CT显像可以对PET进行衰减校正，缩短数据采集时间，提高图像分辨率，对病变部位进行解剖定位和鉴别[20]。第一台PET/CT诞生于1998年，随着医学影像技术的发展，螺旋CT由最初的单层探测器发展为128层，CT扫描时间也缩短至0.4 s以下，PET探测仪的精度得到进一步提高，目前PET/CT已广泛用于临床各领域，如肿瘤疾病的早期诊断和良恶性鉴别、临床分期、监测治疗效果；冠状动脉粥样硬化的诊断、斑块性质的判断、冠状动脉血流重建术的疗效、存活心肌的评估；脑部疾病的定性、定位诊断，脑部肿瘤的分类和分型、脑组织损伤程度的评估；定位癫痫病灶，显示脑血流、脑代谢以及脑神经受体分布等。

3.2 SPECT/CT显像设备 第一台SPECT/CT诞生于1999年，随后GE、Philips、Siemens等多家公司推出了各自的研究设备，目前已有64排CT探头和SPECT的融合设备。SPECT/CT设备利用CT图像提供的人体组织密度分布信息进行SPECT图像的衰减校正，一次检查同时完成2种影像的扫描，最初的SPECT探测器多使用碘化钠晶体，最新的探测器为半导体碲锌镉（cadmium zinc telluride，CZT），能将射线直接转换为数字信号，具有高能量分辨率（5%～6%）、高量子探测效率（60%）、高空间分辨率（2 mm）、高灵敏度（普通SPECT的4倍）和高对比度。Scheyerer等[21]采用SPECT/CT评价骨盆损伤，在单一使用传统影像技术不能确诊的合并前耻骨支骨折的病例中，SPECT/CT显示出了良好的联合诊断优势，并可以评估软组织损伤。CZT-SPECT/CT用于评估心肌缺血敏感度和成像质量均较高，但重建过程的运算法较繁琐。Koopman等[22]比较了使用或不使用衰减校正对心肌缺血成像的影响，结果显示，操作者因素会影响心肌灌注显像的数据结果，在使用了衰减校正的病例组中更为显著。总体来说，SPECT/CT已广泛用于全身性骨显像、诊断颅底病变、肺通气灌注显像、心肌显像、肿瘤显像等。

3.3 PET/MRI显像设备 PET/MRI同机融合需要解决很多技术问题，PET探测器包括闪烁晶体和光电倍增管，光电倍增管不能兼容MR磁场，而新研制的雪崩光电倍增管（avalanche photodiode，APD）和硅光电倍增管（silicon photomultipliers，SIMPS）具有较好的兼容性，APD对磁场的敏感性低，可以通过极短的光纤直接与PET的闪烁晶体连接，但APD需要强大的冷却系统来维持温度稳定。SIMPS的温度稳定性、能量分辨率和时间分辨率均优于APD[23]。此外，PET/MRI同机尚需解决双模态探针、伪影处理、采集时间优化、安全性评估[24]等问题。目前，GE、Philips、Siemens公司均有研发成功的PET/MRI设备，广泛用于肿瘤的诊断、分期、疗效评估、复发检测、神经退行性病变、癫痫、神经细胞代谢障碍、冠状动脉狭窄、微血管病变、心肌存活显像，以及关节、韧带、肌腱、软骨、骨髓成像等。Appenzeller等[25]比较了PET/MRI（体线圈单梯度回波序列MRI）和PET/CT（标准、低剂量、无对比增强的CT）的诊断准确度、损伤灶敏感度、精确度和病灶明晰性，评估了63例不同部位恶性肿瘤的分期、再分期和随访，结果显示PET/CT在诊断肺部损伤时病灶明晰性明显优于PET/MRI（P=0.016），PET/CT对淋巴结的病灶明晰性也明显优于PET/MRI（P=0.033），在骨损伤患者中，两者无显著差异。

3.4 SPECT/MRI显像设备 与PET相比，SPECT的分辨率和灵敏度较低，成像质量较差，且SPECT的示踪剂和99Tcm、111In等较PET常用的示踪剂18F、11C、15O的生理性更弱，PET/MRI同机融合所遇到的技术难点，SPECT/MRI也同样会遇到，但SPECT也具有一定的优势，SPECT较PET结构简单、成本低廉，示踪剂范围更广[26]。

综上所述，随着分子影像学的发展，多模态分子影像必将对生物、医学、药物等多个领域产生更深刻的影响，多模态分子成像不仅要求有先进的成像设备，更要求发展新型高效的分子探针。现有的分子成像技术在分辨率、探测限度、可利用度、能量延展度等方面尚有缺陷，构建安全、有效、兼具检测和治疗功能的新型多模态分子探针是未来发展的重要方向。