分子成像探针

基于物理学和生物学方法的下一代化学分子影像探针的合理设计：混合模式，色彩和信号近年来，众多的体内探针分子成像已经得到发展。因此，有很多报道,发表关于设计和合成分子成像探针，聚焦于每一种模式,每一类型材料,或每个目标疾病。更近一些年，具有独特，多功能或多路复用特性的第二代分子成像探针已经设计出来。这个关键的综述关注(i)分子成像的组合运用模式和全方位采用电磁光谱的信号,(ii)为基于生物学和生理学的交叉范围的物理尺寸体内动力学优化设计了化学分子成像探针,(iii)旨在运用多种形式、色彩、综合信号从目标提取补充数据的第二代分子成像探针设计实例。A.介绍常规使用造影剂诊断成像的方法，如血管造影，计算机断层扫描和磁共振（MR）成像，在医学上产生了深刻的影响。然而，在灵敏度，分辨率和特异性方面还需要改进。放射性核素成像为目前的局限性提供了一个很好的例子。虽然放射性核素显像提供生理信息（血流量，灌注，淋巴回流）或代谢信息（磷酸盐，糖，核酸，和某些氨基酸），但它的空间分辨率很低。只有几个目标分子的（生长抑素类似物和放射性标记抗体）的放射性探针已被批准在临床实践中使用。分子成像，影像学的下一个重要的进步之一，为体内特定目标的高灵敏度和特异性的信息获取提供了可能性。为了实现这一目标，它或许必须混合不同的方式，探针，或信号处理来设计探针。分子成像临床成功的时候不多，但在肿瘤学，心脏病学，和神经科学已经有相当临床前研究的进展。因此，人们普遍认为该领域仍然处于起步阶段。限制分子成像的一个因素是，大多数目前使用的探头是单色（高产每个分子只有一个信号类型），并不断发出信号（即所谓的“永远在线”）。单色成像，虽然在目前的临床实践中非常有用，线性响应，无数据参数。在“一种测试，一种答案”范式，只提供了一个拼图的一维图片“很多测试，很多答案”这样的结果“总是”探头的问题是，他们减少二次非特定的背景信号背景比率的目标。这大大降低灵敏度，甚至可能使探头非常具体。产生多色，多参数数据，并激活成像探针的能力将提供更加丰富和复杂并具有较高的灵敏度和特异性的数据集。在化学和纳米技术的创新将导致高靶向性探头的发展，它优化了针对性很强的高亲和力结合特定的分子靶点和信号属性，并最终产生多参数的数据探头。这些探头不仅可以提供更多的信息，但也可能使得医疗保健方面效率提高，从而降低了成本（一个测试，很多答案）。每个模式提供特定的功能，如高空间分辨率，高时间分辨率或高灵敏度，而且利用来自频谱不同部位的电磁波，紧随着数据重建来采集数据。利用每一项技术，获得多参数数据有几种方法：（1）使用两个或两个以上不同的成像方式（多模）检测两个或两个以上电磁频谱不同部位的光子，；（2）检测频谱相同部分的两个或两个以上的光子，并使用光谱分离技术来区分信号（多色）；（3）检测相同能量的光子，但通过信号处理（多种信号）提取其他信息（如时域信息）（图1）。图1：复合成像技术图，依据不同波长的电磁波谱探针设计的一个重要的基本原则是优化肿瘤背景比值（TBR）。这样就可以实现最大化的目标信号，最大限度地减少背景信号，或两者同时实现。改善TBR可增加体内检测目标分子的灵敏度和特异性。优化TBR的战略，可以在一些规模上从整个机体的水平到原子水平考虑。在生物水平上，动物（如小鼠与人类）的大小应作为探针类型间信号穿透深度在光学成像最显著的变化，因此生物体表面的目标组织深度是被检测信号强度的重要组成部分。在器官水平，只要是探头药物代谢动力学，包括药剂的摄取，分解，清除和排泄所有影响TBR的，应被视为生理学。在细胞水平上的目标表达，结合亲和力，打开和关闭率，细胞内的处理和分解代谢可以影响探头的信号。在分子水平上，与目标和化学或酶处理之间物理相互作用改变探头的信号和TBR。最后，在原子水平上，分子之间或分子内能量转移，光子诱导电子转移并且隔离罩实现信号的激活和/或信号放大的重要手段，因此其值得考虑（图2）。在这篇文章中，我们讨论分子成像探针的设计策略，强调策略的多模式，多彩色和多信号。B．多路数据采集每个模式都有优势和局限性。因此，同时使用两个或两个以上的模式，成像试剂或信号的方法，来实现'多路复成像“，可以克服的每个模式的局限性并改进在一个单一的成像期间获得的数据。当前一个很好的例子是正电子发射断层扫描/计算机断层扫描（PET/CT），其中PET提供了一个高灵敏度的代谢图像，而CT提供可以叠加在代谢信息之上的组织信息。多色成像的例子包括不同的目标的同时检测，使用单光子发射计算机断层成像（SPECT）摄像机，它根据不同的发射能量（即鎝-99m（140千电子伏））TL-201（71千电子伏））使用两种不同的能量检测窗口来收集多参数信息可以解决多个示踪剂。多种信号的一个例子是磁共振成像，其在T1，T2，和扩散加权像中都在一个时段获得的，分别反映了不同的组织信号。因此，未来的模板已经到位。下一代的分子成像探针的设计应考虑到该药剂是否会提供复成像数据。在本节中，我们讨论在尚未出现在临床上的这些不同类型的探头的合理的设计和实际的例子。图2：在所有物理水平上靶向特异性成像的合理策略图B．1多模成像探针如图1所示，核成像采用发射波长小于1nm伽马射线的光子。在这些光子中，能量大于70keV的一般可以穿透人体无明显衰减。从现实情况来看，放射性核素，发射光子能量从80keV到350keV的不等，适合分子成像，但精确的重建需要广泛的准直。在低效的光子收集中的结果是因为准直仪吸收许多光子的结果。正电子放射性核素产生两个511keV的光子（方向相反），同时入射探测器可以检测到它，而且由于可以决定响应线，PET扫描仪不要求一个准直，从而导致了与γ发射体相比更高的分辨率。放射性核素的相机是足够灵敏的，即使在体内深处检测放射性核素的微微摩尔浓度。核成像是医学的发达领域，经历了过去五十多年的发展。因此，新开发的药剂使用微剂量处理在人类中测试中很容易，。然而，由于伽马射线或X射线暴露受到电离辐射，基于药剂的放射性物质和它的物理和生物半衰期，放射性核素显像必须始终考虑到辐射剂量。因此，一个具有可比性的灵敏度，但没有电离辐射的成像模式是可取的。光学成像依赖于从可见光到近红外（NIR）（500至1500nm波长）波长范围的光子。电荷耦合器件（CCD）探测器，用于光学成像，于较短的波长的光子普遍表现较好的灵敏度。在此范围内，近红外光，从650至800nm，，提供最佳的可视化深层次结构，可达数厘米，从表面上看，是由于这个范围不太容易被活组织吸收（图3）。更短波长的光子因为氧和脱氧血红蛋白吸收近完整的光而被限于成像表面或立即表层现象。当然，穿透深度与光源的强度是部分相关的，因此，具有非常强射的荧光团信号可以更深地穿透组织。许多可见光到近红外光谱波长发光试剂是用于光学成像，这些荧光基团可以被微微摩尔的灵敏度检测到而没有电离辐射。光学成像单独（无外感探头）已在临床实践中被用来检测血流或相对表层器官的血氧浓度，包括乳房，大脑，眼睛。只有两种光学成像试剂：荧光素和吲哚青绿（ICG）已被批准在临床实践中使用。在外科或内镜检查过程中，已经引入了少数目标特定的荧光探针，但在临床上都没常用。图3：在体NIR窗，显示水，氧合和脱氧血红蛋白在可见光到近红外波段的消失系数，磁共振成像依靠波长近似1厘米的无线电波。射频波能够穿透到体内深处。磁共振成像一般是测量质子的磁弛豫特性，但这需要由射频激发。顺磁金属离子或纳米大小的金属微粒作为造影剂，因为他们改变了相邻水质子的弛豫速率和破坏周围粒子的磁场。可检测的弛豫变化只能在显像剂的顺磁性浓度大于10微摩尔浓度的金属离子或原子时获得，从而限制了灵敏度。无线电波不会受到电离辐射暴露。关于造影剂，钆螯合物和氧化铁粒子已批准在临床实践中使用。然而，人们越来越关注，关于在肾功能不全的患者中钆造影剂的使用，因为有肾系统性硬化症的风险，这是潜在的致命疾病，是由从螯合物毒性重金属释放钆离子的毒性导致的。此说，MRI信号可以不同的方式处理，产生具有获得解剖之外的多种信息潜力的方法，并且不需要对比材料。牢记这些特点，两个或两个以上信号基团的适当组合也被称为“混合成像”，可以有效地提供一个生理过程更全面的信息。在接下来的章节中，对新的分子探针的发展，主要是临床前的例子进行了讨论。B.1.1核/光学多模探头多式联运核和光学成像探针于分子成像和药物（治疗诊断科技）发展来说是有前景的。在这一战略中，放射性元素的作用是提供定性，完整的大量数据。放射性元素提供了一个连续发射的信号，它可以用来确定探头的生物分布与清理，并提供生理数据，如肾小球滤过率和在特定地方（如肿瘤或器官）的探针浓度。探针的光学元件提供定性实时可视化靶组织的能力，以协助介入的，手术上的，或内镜的程序，或使用多色彩“总是在线''或肿瘤细胞的特性”“激活”光学探针（稍后讨论）进行分子型面的特定检测。这些特性使得核/光学探测器对药物开发，生理成像，特定酶成像，心脏成像，以及有效的肿瘤目标很有用。B.1.1.1核/光学双标记探针一个正电子发射同位素作为放射性元素来用，为双核/光学试剂提供了甚至更好的定量数据，PET具有高渗透力和灵敏度，也更具定量性。考虑到这一点，已开发了PET/光学试剂的一些组合。例如，附带整合剂的近红外荧光光量子点（QD）与PET成像结合，并附属血管内皮生长因子（VEGF）蛋白来模拟VEGF受体的相关目标。在早期临床试验中，用双标记探针的药代动力学性质和疗效来评估特定肿瘤成像。PET试剂提供血管内皮生长因子受体阳性肿瘤的透视图，而光学成像提供了肿瘤切除的实时定位。放射性核素的双光探头的另一个例子是一个单抗（抗HER2的抗体），用一个正电子发射放射性核素和患乳腺癌的小鼠模型上测试的近红外荧光团标记。双模核/光剂为全身（核）提供全身灵敏疾病检测，药代动力学（核）的相关定量数据，以及能够实现实时，多色彩，高度特异性的分子靶向和细胞级成像（光学）。实事求是地讲，两种模式类似的灵敏性，使得它更容易同时设计和应用这些探针（图4）。图4：定量淋巴的复合色彩图，使用核和光学双标记的成像试剂。B.1.1.2切伦科夫发光成像（CLI）最近在双模光/核成像方面的发展是将（CR）切伦科夫放射用于光学成像。，带电粒子穿过绝缘介质比光速更快时，CR发生。分子和光学成像的关联就是生物医学成像中使用的正电子放射性核素有足够的能量使得CR发生，它可用光学成像设备在体内检测。目前使用的正电子放射性核素包括：氟-18，氧-15，镓-68-124和碘;和其他可能的β-射线发射器包括：碘-131，锶-89，钇-90和67铜。这些试剂大多用于放射性核素治疗，但他们可能会在未来放疗成像中使用。与引起谱峰的典型荧光不同，CR光谱与更高的能量条件相关的较高频率相连。这个过程中所产生的光子已经用于CCD光学成像系统的小鼠检测。不过，CR产生的光主要是紫外线和蓝光的范围，它被高度吸收，因而限制了其在体内光学成像的实用性。然而，这种局限性已经克服使用多模的策略，即切伦科夫放射作为一个过程中相邻荧光团的能源受体，称为切伦科夫辐射能量转移（CRET）。通过耦合PET同位素和量子点，可以被大概范围波长激发和产生荧光，它有一个高的斯托克斯位移（即波长高于激发光），切伦科夫辐射可诱发相对容易检测的光。B.1.2核磁共振成像/光学多模探针多模成像的另一种方法是结合核磁共振成像和光学成像能力。在这个结合中，MR提供了详细的解剖成像，而光学元件提供实时分子靶向选择，它可用于图像引导程序。潜在的临床应用，包括在治疗癌症时，紧随光学图像引导手术干预之后的术前磁共振成像。这些探针的发展普遍面临的挑战是MR（低灵敏度）和光学成像（高灵敏度）之间检测灵敏度1000倍的差异。一个浓度高得多的MR试剂需要实现成功的成像光剂对比。另一个挑战是，MR本质上是一个三维成像方法，而光学成像一般是投影成像方法。因此，光学图像往往是叠加在MR图像的表面。创建一个双峰MR/光学药剂，允许叠加图像，并含有足够的顺磁信号以生成图像而不会覆盖光学信号是具有挑战性的。B.1.2.1核磁共振成像