分子影像學(xué)研究綜述

1、分子影像學(xué)研究綜述2021-01-21 17:45摘要分子生物學(xué)是研究生物大分子之間相互關(guān)系和作用的一門學(xué)科,以遺傳學(xué)、 生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)為根底,從分子水平上對(duì)生物體的多種生命現(xiàn)象進(jìn)行研究. 分子影像學(xué)molecula門maging 是隨著分子生物學(xué)的開展而逐漸出現(xiàn)并開展起 來的,影像技術(shù)最早是分子生物學(xué)的研究方法之一,隨著技術(shù)手段的逐漸完備和多樣化,形成了自身的科學(xué)規(guī)律,進(jìn)而成為分子生物學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科.分子影像學(xué)的定義是用影像技術(shù)在活體內(nèi)進(jìn)行細(xì)胞和分子水平的生物過程的描述和測(cè) 量.與經(jīng)典影像診斷學(xué)不同,分子影像學(xué)是一個(gè)正在開展中的研究領(lǐng)域,遠(yuǎn)未達(dá)到成熟,現(xiàn)階段主要研究?jī)?nèi)容是開展和測(cè)試新

2、的工具,試劑在活體中進(jìn)行特殊分子路徑的成像方法.本文主要綜述了分子影像學(xué)成像技術(shù)、 成像原理、成像條件 和其意義應(yīng)用等方面,最后做出了總結(jié)和展望.關(guān)鍵字：分子影像學(xué)分子生物學(xué)生物醫(yī)學(xué)1引言分子影像學(xué)是醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和分子生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、放射醫(yī)學(xué)、核醫(yī) 學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合的一門新的學(xué)科.1999年美國(guó)哈佛大學(xué)Weissleder1 最早提出分子影成像學(xué)molecular imaging MI的概念,即應(yīng)用影像學(xué)的方法 對(duì)活體狀態(tài)下的生物過程進(jìn)行細(xì)胞和分子水平的定性和定量研究.它主要是以體內(nèi)特定分子為成像比照度源,利用現(xiàn)有的一些醫(yī)學(xué)影像技術(shù)對(duì)人體內(nèi)部生理或病 理過程在分子水平上進(jìn)行無損傷的

3、、 實(shí)時(shí)的成像.它將遺傳基因信息、生物化學(xué) 與新的成像探針進(jìn)行綜合,由精密的成像技術(shù)來檢測(cè),再通過一系列的圖像后處 理技術(shù),到達(dá)顯示活體組織在分子和細(xì)胞水平上的生物學(xué)過程的目的.2分子影像學(xué)成像技術(shù)分子影像學(xué)成像必須借助成像設(shè)備,不同的設(shè)備之間存在著敏感性、分辨率 等不同,可相互補(bǔ)充.2.1 光學(xué)成像光學(xué)成像無射線輻射,對(duì)人體無害,可重復(fù)曝光.這項(xiàng)技術(shù)對(duì)淺表軟組織分 辨高,可憑借軟組織對(duì)光波的不同吸收與散射識(shí)別不同成分,并且可利用天然色團(tuán)所特有的吸收獲得功能信息.光學(xué)成像方法較多,主要有彌散光學(xué)成像、多光 子成像、活體顯微成像、近紅外線熒光成像及外表共聚焦成像等,是分子生物學(xué) 根底研究最早、最

4、常用的成像方法.但光學(xué)成像技術(shù)穿透力有限,為數(shù)毫米到數(shù) 厘米,目前僅用于小動(dòng)物模型的研究.2.2 超聲成像超聲也是無創(chuàng)成像方法,利用組織聲阻抗的差異形成比照,使臨床影像學(xué)的 最常用的影像檢查方法.超聲分子成像主要是指將微泡造影劑通過血管進(jìn)入靶組織,觀察靶區(qū)在組織水平、細(xì)胞及亞細(xì)胞水平的成像,借以反映病變區(qū)組織在分 子根底方面的變化.靶向性造影劑是一種特殊類型的超聲造影劑, 是超聲分子影 像學(xué)開展的重要標(biāo)志.利用超聲微泡造影劑介導(dǎo)可發(fā)現(xiàn)疾病早期在細(xì)胞和分子水 平的變化,有利于人們更早、更準(zhǔn)確地診斷疾病,通過此種方法也可以在患病早 期進(jìn)行基因治療、藥物治療等.2.3 核醫(yī)學(xué)核醫(yī)學(xué)的根本原理是將放射

5、性同位素標(biāo)記在人體所需的某種代謝產(chǎn)物上制 成探針,將這種探針注入人體后觀察一定時(shí)間內(nèi)同位素在體內(nèi)的分布、代謝、排泄情況,以了解人體內(nèi)某種特定功能.現(xiàn)階段最常用的是正電子發(fā)射斷層掃描 PET技術(shù),它在目前分子影像學(xué)研究中占據(jù)著極其重要的地位.PET根據(jù)放射性分布的絕對(duì)量進(jìn)行連續(xù)性掃描,根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型和圖像數(shù)據(jù),可對(duì)活體組織中的 生理生化過程做出定量分析,如血流量、能量代謝、蛋白質(zhì)合成、脂肪酸代謝、 神經(jīng)遞質(zhì)合成速度、受體密度及其與配體結(jié)合的選擇性和動(dòng)力學(xué)等.由于 PET 的空間分辨率較低,最近又出現(xiàn)了 PET/C儂術(shù),將PET的功能圖像與CT的高分 辨解剖圖像相融合,得到定位更準(zhǔn)確地功能成像,是

6、分子影像技術(shù)的一項(xiàng)重要進(jìn)2.4 磁共振MR成像M他是無創(chuàng)檢查,它的優(yōu)勢(shì)在于高組織分辨率,同時(shí)可獲得解剖及生理信息. 這些正是核醫(yī)學(xué)、光學(xué)成像的弱點(diǎn).但是 MR分子影像學(xué)也有其弱點(diǎn),它的敏感 性較低微克分子水平,與核醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的納克分子水平相比,低幾個(gè)數(shù)量級(jí). 傳統(tǒng)的MFg以組織的多種物理、生理特性作為成像比照的依據(jù),分子水平的MR成像是建立在上述傳統(tǒng)成像技術(shù)根底上,以在 MFS像上可顯像的特殊分子作為 成像標(biāo)記物,對(duì)這些分子在體內(nèi)進(jìn)行定位.2.5 其他成像技術(shù)除了上述幾種常用的分子影像技術(shù)外,X線、CT等技術(shù)也從不同側(cè)面涉及分子成像,但受技術(shù)本身的限制,在根底和臨床研究中較少應(yīng)用.3分子影像

7、學(xué)的原理和成像條件分子影像學(xué)的本質(zhì)是通過一系列先進(jìn)的成像技術(shù)對(duì)分子探針與靶分子的相 互作用進(jìn)行顯像.活體內(nèi)分子成像滿足以下幾個(gè)根本條件：適宜的分子影像探針生物信號(hào)放大系統(tǒng)敏感、快速和高分辨力的成像技術(shù)分子影像探針指的是對(duì)某一特定生物分子如蛋白質(zhì)、DNA RNA具有特異性、 靶向性并能夠進(jìn)行體內(nèi)和或體外示蹤的標(biāo)記化合物分子,這些標(biāo)記化合物分子 能夠在體內(nèi)和或離體反映其靶生物分子的量和或功能.分子探針大致可分為 肽類分子探針、用化學(xué)分子合成法合成的小分子探針、核酸類探針和“智能分 子探針smart molecular probe 等4種.成像效果好的分子影像探針需符合許 多要求2：i分子探針對(duì)其靶

8、生物分子具有高度特異性和親合力. ii分子探針能夠反映活體內(nèi)靶生物分子的含量.iii分子探針對(duì)細(xì)胞外表和細(xì)胞內(nèi)的相同的靶生物分子的結(jié)合不存在傾向性差異.iv分子探針具有一定的通透性,能順利到達(dá)目的地.v分子探針不會(huì)引起機(jī)體明顯的免疫反響或其他不良反響.vi分子探針在活體內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定.vii分子探針在血循環(huán)中有適當(dāng)?shù)娜コ谝詽M足既能與靶生物分子充分結(jié)合又 不會(huì)有高的血“本底.分子探針是活體內(nèi)分子影像成功的先決條件之一,雖然目前已經(jīng)開發(fā)了許多分子探針,但其始終是分子影像開展的難點(diǎn)之一.4分子影像學(xué)的意義分子影像學(xué)與傳統(tǒng)影像診斷學(xué)不同,分子影像學(xué)著眼于探測(cè)構(gòu)成疾病根底的 分子異常,而不是對(duì)由這些分子改

9、變所構(gòu)成的最終結(jié)果進(jìn)行成像,最突出的特點(diǎn)是用影像的手段非侵入性地對(duì)活體內(nèi)參與生理和病理過程的分子進(jìn)行定性或定 量可視化觀察.分子影像學(xué)研究的意義在于：在診斷方面,通過對(duì)月中瘤發(fā)生過程中的關(guān)鍵標(biāo)記分子進(jìn)行成像, 可在活體內(nèi)直 接觀察到疾病起因、發(fā)生、開展等一系列的病理生理變化和特征, 而不僅僅顯示 疾病終末期的解剖改變.在治療方面,觀察藥物作用過程中,一些關(guān)鍵的標(biāo)記分子有沒有改變, 即可推 論這種治療有無效用.在藥物開發(fā)方面,通過設(shè)計(jì)特異性探針,直接在體內(nèi)顯示藥物治療靶點(diǎn)的分子 改變,通過建立高通量的影像學(xué)分析系統(tǒng),可大大加快藥物的篩選和開發(fā).在基因功能分析以及基因治療的研究方面,通過設(shè)計(jì)一系列

10、特異性探針,建立 高通量的基因功能體內(nèi)分析系統(tǒng),可實(shí)時(shí)顯示該基因在體內(nèi)表達(dá)的豐度、 作用過 程,也可在體內(nèi)觀察目的基因表達(dá)效率,直接評(píng)價(jià)療效.5分子影像學(xué)的應(yīng)用目前為止,分子影像學(xué)主要應(yīng)用在根底研究領(lǐng)域, 受到學(xué)科本身開展水平和 法律法規(guī)的限制,臨床前試驗(yàn)和臨床實(shí)驗(yàn)很少開展. 即使如此,分子影像學(xué)仍顯 示了很好的應(yīng)用前景.5.1 疾病早期診斷目前臨床對(duì)疾病的影像學(xué)診斷是大體病理改變?yōu)楦椎?遠(yuǎn)遠(yuǎn)晚于在分子、 細(xì)胞、組織水平的病變.用分子影像學(xué)可對(duì)分子水平的病變進(jìn)行檢測(cè),而不單單 是疾病終末期得解剖改變.5.2 療效觀察月中瘤性病變的保守治療通過常規(guī)影像方法評(píng)價(jià)治療一段時(shí)間后月中瘤體積的縮減觀察

11、療效.而用分子影像學(xué)方法在治療極早期就可以反映出治療的效果.5.3 藥物研究利用分子影像學(xué)技術(shù),將受測(cè)試藥品用探針標(biāo)記,再將這些標(biāo)記過的藥物取微克 量注入到動(dòng)物體內(nèi),就可以監(jiān)測(cè)藥物在動(dòng)物體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況, 從而判斷該藥物是 否能夠準(zhǔn)確到達(dá)靶區(qū).利用分子影像技術(shù),可以只需更小和更平安劑量的藥物就 可以證實(shí)藥物是否成功地與細(xì)胞外表的靶標(biāo)性蛋白受體相互作用,從而可以大大縮短動(dòng)物試驗(yàn)的時(shí)間,減少參與試驗(yàn)的動(dòng)物數(shù)量.6小結(jié)與展望分子影像學(xué)技術(shù)將基因表達(dá)、生物信號(hào)傳遞等復(fù)雜的過程變成直觀的圖像, 使人們能夠更好地在分子水平上理解疾病的發(fā)生機(jī)制及特征,能夠發(fā)現(xiàn)疾病早期的分子異常及病理改變過程,從而到達(dá)真正的早

12、期診斷；同時(shí),因用于治療的分 子探針的不斷開發(fā),許多疾病有望在分子水平得到治療,做到真正的“有的放 矢；而且,分子影像能夠在最短的時(shí)間內(nèi)得到治療的反響信息,對(duì)于治療效果的監(jiān)測(cè)亦十分有意義.分子影像學(xué)也可以在活體內(nèi)早期、連續(xù)觀察藥物或基因(生 物)治療的機(jī)制和效果,應(yīng)用于藥物篩選和新藥的開發(fā)等.雖然分子影像學(xué)技術(shù) 有待改良和開發(fā),特別是成像儀器和分子影像探針的進(jìn)一步開發(fā),但是分子影像學(xué)已經(jīng)在疾病的早期診斷、基因顯像、藥物篩選、療效評(píng)估、血管生成及細(xì)胞凋 亡等領(lǐng)域取得了令人振奮的成果.7參考文獻(xiàn)1Weissleder R.Molecular imaging: exploring the next

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