第三节 分子成像基本原理
分子影像学的成像研究主要包括两个部分：分子探针和成像手段。分子探针是实现分子成像的关键环节。经典的分子探针设计应满足以下两个条件：①具有与成像靶点（如受体、酶、核酸等）高度亲和力或能够发生特异性反应的功能区（如单克隆抗体、类抗体、核酸适配体、活性多肽等）；②具有能够产生可被相应成像手段（如PET、MRI、CT等）检测到信号的报告物质。分子成像的实现过程一般可以简单地概括为：分子探针通过功能区与成像靶点发生特异性结合或反应，然后借助于分子探针组成中的报告物质，在靶区域产生可以被对应的高精度成像设备检测到的信号，实现对反映疾病进程或特征的靶点的高效成像。
按照分子探针结合或作用的成像靶点与所反映对象的关系，以及各自在疾病诊治应用中的作用不同，基于分子探针的分子成像基本原理大体上可分为直接成像、间接成像和替代物成像三类。
一、直接成像
直接成像是指分子成像探针直接与组织、细胞中的靶目标结合或作用，因此所检测到的探针位置及所产生的信号强度是对疾病特征及进程的直接反映。直接成像的分子探针根据与靶点作用的方式不同，又可分为单纯靶向性分子成像探针（简称靶向性探针）和可激活分子成像探针两类。
靶向性探针本身具有对成像靶点高亲和力的功能区，同时连接有可直接产生信号的报告物质，如放射性核素、高原子序数CT对比剂、磁性MRI对比剂、微泡类超声对比剂等，通过分子成像探针功能区与靶点的特异性结合，借助于报告物质，实现对疾病的定性、定量诊断。但是，由于分子成像探针中的报告物质产生信号的持续存在，因此具有背景噪声高的缺点，且分子探针本身的信号强度只是探针报告物质单纯量的积累，在MRI、CT及US这几类检测敏感性相对有限的成像模态中具有一定的局限性。
可激活探针的功能区除了可以含有与靶向性探针类似的具有成像靶点高亲和力的物质外，同时具有能够与疾病过程中特异的分子或分子事件发生作用的活性物质或分子结构（如活性多肽，特殊的化学键等），并与探针中报告物质信号的产生与抑制密切相关。由于可激活探针信号的产生只有在与靶目标发生作用以后才产生，因此成像具有极高的信噪比，且部分报告物质在激活后能够产生1 + 1 > 2的信号强度，因此具有信号放大的效应，这有效地提升了诸如MRI、CT等成像手段用于分子影像学直接成像的应用价值。
二、间接成像
间接成像技术是分子影像学中应用最广的成像策略，其主要的实现方式为报告基因成像，包括报告基因和报告探针两个必备因素。报告基因是指能够间接反映基因转录水平的编码某种酶或蛋白质的基因。报告探针是只有与报告基因表达产物发生特异性结合或作用后才能够被成像设备检测到的成像物质。间接成像的作用过程一般为：报告探针与报告基因表达产物发生特异性的相互结合或作用后，或其本身就是报告基因表达产物，通过探针的聚集显像报告基因产物的活性水平，进而间接提供报告基因表达水平及驱动报告基因表达的内源性信号或转录因子水平的信息。
间接成像的首要前提是必须将报告基因导入生物体内靶组织，而实现的关键是作为载体的中介物质以及基因在载体内整合的合适方法。目前用于协助报告基因导入靶细胞的载体主要有病毒（如腺病毒）载体、质粒等。而报告基因整合的方法主要有基因融合法、双顺反子法、双启动子法、共载体法和双向转录法等。基因融合法是通过基因/蛋白质融合技术，将两个或更多的不同基因（其中一个为报告基因）相互连接，并将这些基因的编码序列放在同一个阅读框内，通过融合基因表达产物中报告基因部分的检测，间接反映相连其他基因（多为治疗基因）表达产物的水平。例如将前药活化基因单纯疱疹病毒胸腺嘧啶核苷激酶（herpes simplex virus 1 thymidine kinase，HSV1-tk）或兔细胞色素P450（cyp4b1）与增强绿色荧光蛋白（enhanced green fluorescent protein，EGFP）的基因建立融合基因tkegfp或4b1-egfp，在人和鼠的神经胶质瘤内有效地诱导融合蛋白TK-EGFP或4B1-EGFP的表达，借助于光学成像技术对融合蛋白中EGFP荧光强度的检测，间接地实现对前药活化基因表达水平的有效监测。双顺反子法是将报告基因和目的基因通过内部核蛋白体进入位点（internal ribosomal entry site，IRES）序列相连，两个基因整合到靶细胞核内染色体DNA后，被同一个启动子转录成一个单一的mRNA进入胞质，在IRES序列的作用下翻译成各自不同的蛋白质（报告基因和目的基因的表达产物），其中报告基因表达的蛋白质即被用来成像。例如将多巴胺2型受体（dopamine 2 receptor，D2R）和HSV1-sr39TK（HSV1-TK基因突变型）的基因构建载体，在IRES诱导下，由共同的启动子共表达，分别翻译成D2R蛋白（用于受体成像）和HSV1-sr39TK蛋白（治疗）。双启动子法是将同一载体内偶联的不同基因通过不同的启动子分别表达。该方法能够避免前述两种方法中可能存在的基因表达衰减及细胞类型特异性等问题。共载体法是将报告基因和目的基因分别克隆到两个不同的载体内，但由相同的启动子驱动。例如将HSV1-sr39TK和D2R两个基因克隆到分离的腺病毒载体中，用同一巨细胞病毒的启动子驱动，结果发现两个基因的表达具有很好的相关性。与以上方法中启动子导致基因连续性转录不同，双向转录法中的启动子对基因的驱动是诱导性的，即基因的表达是可控的、定量的，且具有对目的基因和报告基因驱动的双向性，因此，两种基因之间的表达在定量可控的基础之上具有很好的相关性，这对基因治疗和转基因动物的间接成像中具有很好的应用价值。
报告基因成像的一般原则为，报告基因与报告探针之间具有严格的相关性，即报告基因在体内不转录，就不会引起报告探针的聚集；反之，如果启动子导致报告基因转录，报告基因表达产物将与报告探针发生作用，并产生有效的可被检测的影像信号。理想报告基因应满足的条件：①在靶细胞以外的宿主细胞内不表达；②报告探针的聚集仅在报告基因表达的部位聚集；③报告基因产物不引起免疫反应；④报告基因产物不能干扰正常细胞的功能；⑤报告基因蛋白总数应与报告基因可转录的mRNA的总数相一致；⑥报告探针或其代谢产物应无细胞毒性，并能迅速从血液循环中清除，不干扰特殊信号的检出；⑦除了转基因外，报告基因及其启动子足够小以适合载体的构建；⑧报告探针能够穿越生理屏障有效到达靶部位；⑨报告探针与报告基因底物作用后产生的影像信号应与体内报告基因mRNA和蛋白的水平有很好的相关性。
根据对报告基因表达产物分析方法的不同，报告基因主要分为体内报告基因和体外报告基因两类，分子成像应用的是体内报告基因。目前，间接分子成像的报告基因产物主要分为：①细胞内的酶。例如胸苷激酶（thymidine kinase，TK）、胞嘧啶脱氨酶、肌酸酐激酶、酪氨酸激酶、β-半乳糖苷酶、绿荧光蛋白（green fluorescent protein，GFP）、虫萤光素酶等。HSV1-TK及其突变型HSV1-sr39TK、GFP，分别是核医学成像及光学成像最常用的报告基因产物，酪氨酸激酶、β-半乳糖苷酶则是MRI较为常见的报告基因产物；②细胞表面的受体或转运体。例如多巴胺2型受体（D2R）、转铁蛋白受体、生长抑素受体、胃泌素释放肽受体及钠/碘同向转运体（sodium iodide symporter，NIS）等。例如D2R、生长抑素受体、NIS是核素成像常用的报告基因产物，而转铁蛋白受体是MRI常用的报告基因产物。由于一个酶分子可代谢并捕获多个报告探针分子，因而具有信号放大效应，而一个受体与一种或几种配体或一个转运体与对应的转运物质作用相对固定，因而信号放大效应不如酶为基础的报告基因，但比前者相对简单。
三、替代物成像
替代物成像是利用替代标志物探针去反映一个或多个内源性分子或基因过程的下游结果。替代物成像由于使用的是已经或即将在临床应用的探针或成像方法，具有短时间内向临床应用转化的潜在价值，因此吸引了研究者越来越多的重视。与直接成像和间接成像利用的是分子探针和靶点的特异性相互作用不同，替代物成像示踪的是特异的内源性-遗传学过程，对诸如癌症等疾病发生的特异性内源性分子-基因过程变化所产生的下游生理生化效应进行监测，因此主要用于疾病治疗效果的监测，特别是用于新的通道特异性药物的研发和检测，例如对于非细胞毒性、抑制细胞生长的抗血管生成类药物疗效的评估。
替代物成像的分子探针实际上早已开发，且已经在临床上广泛使用。因此，分子影像替代物成像技术的临床转化相比较于直接或间接成像技术而言要容易得多。目前替代物成像主要涉及的是核素分子成像领域。例如18F-fluorodeoxyglucose（18F-FDG）是一种临床上广泛使用的针对糖代谢酶活性进行直接成像的核医学成像剂，主要用于肿瘤、心血管疾病及中枢神经系统相关疾病的鉴别诊断。在早期评价胃肠道间质瘤（gastrointestinal stromal tumors，GISTs）对靶向性药物格列卫（Gleevec）的治疗敏感性方面，18F-FDG作为一种替代物成像探针表现出了很好的应用优势。机体内葡萄糖的摄取和分解除了受自身平衡机制的调节，部分细胞外的信号分子亦通过细胞膜表面的受体参与调节葡萄糖的代谢。GISTs本身对葡萄糖的摄取利用异常增高，在18F-FDG PET扫描中表现为明显高信号，当使用Gleevec后，Gleevec通过GISTs肿瘤细胞表面特异性表达的CD117受体信号通路，能够有效下调GISTs对葡萄糖的摄取和代谢。GISTs对Gleevec的治疗反应最早在应用后24小时就被18F-FDG PET所反映，表现为肿瘤对18F-FDG摄取的明显减少，信号显著降低。
虽然替代物成像技术，在疾病如肿瘤治疗效果的检测方面表现出了较好的应用优势，但是可用于替代物成像的分子-基因过程的数量相对较少，探针本身的特异性有限，且替代标志物成像的结果与反映感兴趣分子-基因通路活性的直接分子评估之间是否存在足够高的相关性尚有待证实。因此，替代物成像作为分子成像技术之一，对其进一步研究和开发的道路还任重而道远。
（王培军 沈爱军 吕 琦）