基本介紹
- 中文名：分子影像學
- 外文名：molecular imaging
- 研究對象：生物大分子之間相互關係和作用
- 分類：學科
定義,引言,意義,成像原理,技術難點,學科發展,跨學科合作,人才培養,評價,影響,衍生產品,
定義
分子影像學的定義是用影像技術在活體內進行細胞和分子水平的生物過程的描述和測量。與經典影像診斷學不同，分子影像學是一個正在發展中的研究領域，遠未達到成熟，現階段主要研究內容是發展和測試新的工具，試劑在活體中進行特殊分子路徑的成像方法。本文主要綜述了分子影像學成像技術、成像原理、成像條件和其意義套用等方面，最後做出了總結和展望。
引言
分子影像學是醫學影像技術和分子生物學、化學、物理學、放射醫學、核醫學以及計算機科學相結合的一門新的學科。1999年美國哈佛大學Weissleder[1]最早提出分子影(成)像學(molecular imaging，MI)的概念，即套用影像學的方法對活體狀態下的生物過程進行細胞和分子水平的定性和定量研究。它主要是以體內特定分子為成像對比度源，利用現有的一些醫學影像技術對人體內部生理或病理過程在分子水平上進行無損傷的、實時的成像。它將遺傳基因信息、生物化學與新的成像探針進行綜合，由精密的成像技術來檢測，再通過一系列的圖像後處理技術，達到顯示活體組織在分子和細胞水平上的生物學過程的目的。
意義
在診斷方面，通過對腫瘤發生過程中的關鍵標記分子進行成像，可在活體內直接觀察到疾病起因、發生、發展等一系列的病理生理變化和特徵，而不僅僅顯示疾病末期的解剖改變；治療方面，觀察藥物作用過程中一些關鍵的標記分子有沒有改變，即可推論這種治療有無效用；在藥物開發方面，通過設計特異性探針，直接在體內顯示藥物治療靶點的分子改變，通過建立高能量的影像學分析系統，可大大加快藥物的篩選和開發；在基因功能分析以及基因治療的研究方面，通過設計一系列特異性探針，建立高通量的基因功能體內分析系統，可實時顯示該基因在體內表達的豐度、作用過程，也可在體內觀察目的基因表達效率，直接評價療效。主要套用於腫瘤學、心血管疾病、神經系統等方面。
成像原理
分子影像學融合了分子生物化學、數據處理、納米技術、圖像處理等技術，因其具有高特異性、高靈敏度和圖像的高解析度，因此今後能夠真正為臨床診斷提供定性、定位、定量的資料。由此可見，分子影像學不再是一個單一的技術變革，而是各種技術的一次整合。分子影像技術有三個關鍵因素，第一是高特異性分子探針，第二是合適的信號放大技術，第三是能靈敏地獲得高解析度圖像的探測系統。它將遺傳基因信息、生物化學與新的成像探針綜合輸入到人體內，用它標記所研究的“靶子”（另一分子），通過分子影像技術，把“靶子”放大，由精密的成像技術來檢測，再通過一系列的圖像後處理技術，達到顯示活體組織分子和細胞水平上的生物學過程的目的，從而對疾病進行亞臨床期診斷和治療。
技術難點
目前最為常用的分子影像學技術有核醫學成像技術，尤以PET的分子顯像研究最具活力。另外，MR成像及MR波譜成像（MRS）、光學成像以及紅外線光學體層亦頗多使用，而這些影像技術均有各自的利弊。就單從基因治療來看，有許多問題沒有解決，基因轉導或轉染是否成功？轉導或轉染的基因是否分布到靶器官或靶組織，其分布是否最佳？靶器或靶組織內轉基表達是否可以產生足夠的治療效應？轉導或轉染的基因是否以足夠高的水平定位於其他器官或組織以誘導產生未預料的毒性反應？在與前體藥物聯合作用時，轉基因表達的最佳時機以及啟動前體藥物治療的最佳時機如何？轉基因表達在靶組織或器官內可持續多長時間？
學科發展
跨學科合作
也正因為各種成像技術各有利弊，存在各種難點，因此，常常需要進行跨學科、多角度的交叉與合作，這裡面既需要生命科學從分子水平提出亟待解決的問題，也需要物理、化學、生物數字、信息學等學科發展適應分子影像學研究的理論與技術，並套用於該領域。同時，需結合當代前沿的納米科學技術。然而，缺乏多學科的合作成了阻礙分子影像學發展的瓶頸，尤其缺乏與生物、化學、物理、工程、計算機等相關學科的交流和合作。比如，在分子探針的設計、製備以及表征分析中，就需要生物工程、生物化學等相關專家的密切配合。
因此，跨學科的專家們首先要坐在一起，尋找共同感興趣的目標，這裡面有臨床意義以及前期的基礎；共同的興趣，如：MRI、CT、PET、超聲；應在某些方面集中，如抗體。其次，為了提高合作研究的效率要組成固定的研究課題組，明確分工責任，明確時間節點。再其次就是經費保證。以及共同發表文章各自的側重點等。所有以上這些是否需要書面協定？把這理清後才有可能更好地往前走，否則效率不高。
人才培養
把握現代醫學影像發展趨勢與特徵，推動我國醫學影像學事業發展，人才培養是關鍵。設定合理醫學影像學學科體系，按照學科發展的需要，培養新型醫學影像學人才，是當務之急。在各個領域大力宣傳分子影像學研究計畫，它不僅是優勢研究平台，更是由基礎研究向臨床轉化的重要途徑。尤其是放射學工作者不熟悉此新興交叉學科，知識結構需要更新。高等學府教育是培養人才的世襲領地，但目前醫學影像學教材幾乎沒有涵蓋分子影像學的內容。編寫相配套教材，將分子影像學基本原則、研究方法、發展趨勢與進展等列入基本訓練內容。
評價
在分子影像學中，一個關鍵問題是如何客觀地評價傳遞和表達的效果，特別是在體（動物或人體）進行評價。目前顯示基因表達情況的方法分為有創性以及無或小創傷性兩大類。如果要對體內特殊分子或（和）基因成像，必須滿足4項必備前提：高親和力的探針，且該探針在體內有合理的藥代動力學行為；這些探針可穿透生物代謝屏障，如血管、間葉組織、細胞膜等；化學的或生物的信號擴增方法；敏感、快速、高解析度的影像技術。
影響
至此，影像醫學發展逐漸形成了3個主要的陣營：經典醫學影像學：以X線、CT、MR、超聲成像等為主，顯示人體解剖結構和生理功能；以介入放射學為主體的治療學陣營；分子影像學：以MR、PET、光學成像及小動物成像設備等為主，可用於分子水平成像。三者是緊密聯繫的一個整體，相互印證，相互協作，以介入放射學為依託，使目的基因能更準確到達靶位，通過分子成像設備又可直接顯示治療效果和基因表達。分子影像學對影像醫學的發展有很大的推動作用，也與傳統的醫學影像學緊密相連。一些醫療器械製造商因此開發出了相應的產品，如西門子的Biograph 16 TruePoint（正電子發射及計算機斷層掃描系統），融合影像系統以及前沿的套用軟體，使研究人員能夠識別特定的生物學過程、監測化合物的效用、實時測量疾病進展，促進了基礎研究和藥物研發工作，使影像醫學從對傳統的解剖、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變化，將對新的醫療模式的形成和人類健康有著深遠的影響。分子影像學概念分子影像學與傳統影像學的對比 自從X射線發明以來，醫學影像技術的發展大概經歷了三個階段：結構成像、功能成像和分子影像。醫學影像技術(包括結構成像和功能成像)和現代醫學影像設備(如：計算機斷層成像CT、核磁共振成像MRI、計算機X線成像PET、B超)的出現，使得傳統的醫學診斷方式發生了革命性變化。但是隨著人類基因組測序的完成和後基因組時代的到來，人們迫切需要從細胞、分子、基因水平探討疾病(尤其是惡性疾病)發生髮展的機理，在臨床症狀出現之前就監測到病變的產生，從而實現疾病的早期預警和治療，提高疾病的治療效果。因此，1999年美國哈佛大學Weissleder等提出了分子影像學(Molecular Imaging)的概念：套用影像學方法，對活體狀態下的生物過程進行細胞和分子水平的定性和定量研究。它是以體內特定分子作為成像對比度的醫學影像技術，能在真實、完整的人或動物體內，通過圖像直接顯示細胞或分子水平的生理和病理過程。它在分子生物學與臨床醫學之間架起了相互連線的橋樑，被美國醫學會評為未來最具有發展潛力的十個醫學科學前沿領域之一，是二十一世紀的醫學影像學。
傳統影像學主要依賴非特異性的成像手段進行疾病的檢查，如不同組織的物理學特性(如組織的吸收、散射、質子密度等)的不同，或者從生理學角度(如血流速度的變化)來鑑定疾病，顯示的是分子改變的終效應，不能顯示分子改變和疾病的關係。因此，只有當機體發生明顯的病理或解剖結構的改變時才能發現異常。雖然圖像解析度不斷提高，但是若此時發現疾病，已然錯過了治療的最佳時機。然而，在特異性分子探針的幫助下，分子影像偏重於疾病的基礎變化、基因分子水平的異常，而不是基因分子改變的最終效應，不僅可以提高臨床診治疾病的水平，更重要的是有望在分子水平發現疾病，真正達到早期診斷。分子影像學不再是一個單一的技術變革，而是各種技術的一次整合，它對現代和未來醫學模式可能會產生革命性的影響。
分子影像學的優勢，可以概括為三點：其一，分子影像技術可將基因表達、生物信號傳遞等複雜的過程變成直觀的圖像，使人們能更好地在分子細胞水平上了解疾病的發生機制及特徵；其二，能夠發現疾病早期的分子細胞變異及病理改變過程；其三，可在活體上連續觀察藥物或基因治療的機理和效果。通常，探測人體分子細胞的方法有離體和在體兩種，分子影像技術作為一種在體探測方法，其優勢在於可以連續、快速、遠距離、無損傷地獲得人體分子細胞的三維圖像。它可以揭示病變的早期分子生物學特徵，推動了疾病的早期診斷和治療，也為臨床診斷引入了新的概念。
衍生產品
分子影像產品的研究與發展，是伴隨著分子影像成像理論和成像算法的發展而逐步發展的。在螢光標記的分子成像方面，目前世界上僅有少數實驗室研製成功可以對小動物進行跟蹤性在體螢光斷層分子影像的系統，並接連在Nature/Science上發表一系列突破性研究進展。
近年來，國外某些公司改進了現有的體外螢光成像技術，發展出適用於動物體內的成像系統。螢光發光是通過激發光激發螢光基團到達高能量狀態，而後產生髮射光。常用的有綠色螢光蛋白(GFP)、紅色螢光蛋白(DsRed)及其他螢光報告基團，標記方法與體外螢光成像相似。螢光成像具有費用低廉和操作簡單等優點。同生物發光在動物體內的穿透性相似，紅光的穿透性在體內比藍綠光的穿透性要好得多，近紅外螢光為觀測生理指標的最佳選擇。現有技術採用不同的原理，儘量降低背景信號，獲取機體中螢光的準確信息。目前以精諾真公司採用的光譜分離技術和GE-ART 公司的時域(time-domain, TD)光學分子成像技術為螢光成像為主要代表，此外，KODAK公司的光學分子影像設備也占有一定的市場份額。
Xenogen的IVIS系統可檢測波長範圍400-950nm的螢光，通過六塊不同的激發光濾鏡獲得所需的特定激發光波長。光線通過第二塊藍色漂移背景光濾鏡(blue-shifted background filters)，使得初始的激發光產生輕微的藍色漂移。以不同波長的激發光，在不激發螢光報告基團時激發組織的自發螢光，從而將靶信號與背景光區分開，消除自發螢光。分子成像過程中，光子在組織中有很強的散射性。通過觀測發射光子從散射介質中通過的時間而將靶點信號與背景信號區分開，獲得滿意的效果，這就是時域光學分子成像技術(time domain optical imaging, TDOI)。以GE 公司的時域光學分子成像為例，是用直徑1mm的細束狀脈衝雷射逐點掃描被檢動物。用光電倍增管記錄螢光強度，最後用電腦將數據復原得到圖像。依據螢光發光點在生物體內深度的不同，從而到達光電倍增管時間的不同來測定螢光點的深度。深度辨別在評定腫瘤生長、分布及轉移等方面具有重要的作用。組織的散射也可能提示疾病或生理過程的其他信息，例如癌細胞及周圍組織在散射性質方面表現出不同的差異。利用時域光學分子成像時，由於雷射直徑僅為1mm，掃描的速度受到影響。對於大面積被檢物或整體動物而言，則需要相當長的檢測時間。所以文獻報導這種技術一般只用於動物的局部成像。而且由於雷射成像的單波段特性，不同的螢光物質需要不同的激發光源，儀器操作及信號分析也相當複雜。下面就以Xenogen、KODAK和GE-ART三家公司的代表性產品為例，具體分析各種儀器的優缺點。
調研分析
●精諾真體內可見光成像系統----Xenogen
以Xenogen公司的IVIS Imaging System 200系列體內可見光成像系統為例：
特點：IVIS Imaging System 200系列可以做激發螢光和自發螢光斷層成像，可實現三維螢光光源的重建。它的探測深度為：顱內可達3-4cm，解析度為1-3mm。
缺陷：若體內有兩個光源信號，體外探測器探測到的將是兩個光源信號的疊加，從而導致重建光源位置與實際光源位置偏差較大；隨著體內光源位置深度的增加，重建光源誤差將隨之增大；光源重建過程中假定整個生物組織內部是均勻介質，不能很好的對光源進行成像，光源的位置以及大小誤差較大。
●KODAK高性能數碼成像系統----KODAK
以KODAK公司的Image Station in-Vivo FX成像系統為例：
特點：僅能進行二維成像，解析度僅為cm級。
缺陷：不能進行三維成像，故不能精確顯示體內螢光光源的深度，這是該系統的致命缺陷；系統解析度較低。
●小動物光學分子成像系統----GE
以GE Healthcare通用電氣醫療集團的eXplore Optix小動物光學分子成像系統為例：
特點：該設備是激發螢光成像設備，光源重建過程是時域重建與動物輪廓像的後期融合。它的探測深度：靈敏度高的時候，為1.5-2cm；靈敏度低的時候，為3-4cm。解析度為0.5-3mm。在體模表面下方5-9mm處，eXplore Optix可探測1nm的螢光信號(670nm激發信號，700nm發射信號)，並能對濃度和深度進行精確恢復。此外，該設備還能進行螢光壽命的探測。
缺陷：該設備僅能實現激發螢光斷層成像，重建方法是採用的時域重建而非連續波方法，故不能實現自發螢光斷層成像；光源的2D深度和濃度重建，而不是3D。
綜上所述，雖然國外已經做出了光學分子成像設備，但在不同程度上還是有著一定的缺陷，這為我們研製開發擁有自主智慧財產權的光學分子成像設備或原型系統帶來了契機。
成像設備的研製
國內，清華大學、天津大學等科研單位正在研製激發螢光斷層成像原型系統。截止到目前為止，國內還沒有擁有自主智慧財產權的光學分子成像設備。在綜合上述三種國外光學分子成像設備的優點並對缺陷進行了改進之後，我們構建了BLT原型系統。該系統包括螢光信號採集裝置、圖像信號預處理模組以及計算機系統，可以完成自發螢光斷層成像。我們搭建的BLT原型系統與國外的光學分子成像設備相比，主要優勢將體現在：
該系統能進行自發螢光斷層成像，可以對體內螢光光源進行精確的定位並能準確探測螢光強度，同時還可以完成生物組織光學特性的在體測量
該系統的性能指標達到國際水平，部分超過國際水平。本系統重點解決的是非均勻介質生物組織體內的螢光光源重建問題，故能精確地對螢光光源進行成像，與真實光源相比較，重建光源的位置以及大小誤差不大。
