介入分子影像學研究現狀與進展*

高君①②　張峰①　楊曉明①③

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·分子影像與微創治療專欄·

介入分子影像學研究現狀與進展*

高君①②張峰①楊曉明①③

摘要隨著介入放射學與分子影像學的發展、延伸和融合，形成了一門新的學科-介入分子影像學。介入放射學和分子影像學協同發展，不斷拓寬應用領域，提升實用性，明顯提高了惡性腫瘤的早期診斷、局部治療和治療監測水平。一方面，介入放射學拓展了分子影像學的研究和應用領域，使其可以監測深部、微小的病變部位，同時輔助傳送非靶向分子探針和藥物，從而提高靶向成像與治療的有效性。另一方面，分子影像學已融入介入放射學，可更加精準地監測與評價介入治療療效，進一步提高介入治療的安全性和有效性。雖然當前的分子影像學研究大多還處于動物實驗或臨床前階段，隨著介入分子影像學理念和技術的不斷完善，必將推動分子影像學的臨床實踐，提升惡性腫瘤的診治水平。

關鍵詞介入分子影像學介入放射學分子影像學惡性腫瘤

楊曉明，教授，美國西雅圖華盛頓大學終身教授，現任影像引導介入研究室主任，華盛頓大學醫療中心介入放射科臨床主管醫師，芬蘭庫奧皮奧大學放射學系高級講師和臨床主管醫師，兼任中華放射學會分子影像學組副組長，中國工程院院士評選委員會委員、中國教育部長江學者評審專家。2013年入選中央組織部國家“千人計劃”特聘專家。致力于醫學影像學領域研究，首先提出介入分子影像學的概念，并開創管腔內磁共振分子成像及其引導下介入治療技術、心血管疾病基因治療的分子影像學監測技術和干細胞修復不穩定動脈硬化斑塊的細胞—分子影像學示蹤技術。發表學術論文100余篇，主持國家自然科學基金重點項目、國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）、US NIH等多項研究項目。

*本文課題受國家自然科學基金重點項目（編號：2013ZX10002004-001-005）、國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）（編號：2014CB744505）和US NIH RO1EBO12467項目資助

分子影像學是一種在活體狀態下從細胞和分子水平應用影像學方法對生物過程進行定性和定量檢查的成像技術［1］，已成為當今醫學影像學發展的方向。迄今為止，已經研發出多種分子影像學技術應用于臨床前研究。但是，每種分子成像技術均有其局限性。如分子光學成像的組織穿透力有限，分子磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）使用表面線圈無法探測到微小和深在的靶部位，全身用藥的分子影像探針大多被肝臟和腎臟排出體外，無法與靶標充分結合等。諸多局限性使其短期內難以應用于臨床工作。

隨著介入放射學和分子影像學科的交互發展，逐漸形成了一門新的學科-介入分子影像學［2］。近年來，本研究組一直致力于聯合介入放射學和分子影像學技術的相關研究，并提出介入分子影像學的概念［2］。本文就近年介入分子影像學及其在惡性腫瘤診斷和治療中的研究進展做一論述，與同道共享。

1　介入放射學輔助分子影像學

1.1介入放射學輔助深部臟器的光學成像

光學成像正成為現代醫學影像大家庭的新成員。光學成像是利用光學探測手段結合光學造影劑對細胞或者組織甚至生物體進行成像，而獲得其中生物學信息。通過分子成像系統，可以監測活體動物體內腫瘤的生長及轉移、感染性疾病發展過程、特定基因的表達、基因干細胞的修復等生物學過程?；铙w動物體內光學成像主要采用生物發光與熒光兩種技術。生物發光成像技術采用熒光素酶標記靶細胞或基因及其產物，而熒光成像技術則依賴于攜帶熒光報告基團的細胞或基因載體。值得注意的是，由于生物組織對光來說屬于高散射和高反射介質，光束無法到達深在部位或從深在部位檢測出來，故不適用于大型動物、人體的深層組織或器官病變的檢查。因此，目前在體生物光學成像大多還停留在動物實驗階段。

介入放射學的微創技術可解決上述問題。介入放射學技術可通過經皮穿刺或體內自然管腔路徑，將穿刺針型或導管型微分子成像系統置入體內，使其接近深在的目標，從而彌補了光學成像系統無法探測深在組織的不足［3-5］。換而言之，影像引導微創介入的方法縮短了分子光學成像儀與深處目標之間的距離，避免了深在組織的多層解剖結構對光束的散射和反射，從而實現活體深處目標的分子光學成像（圖1）。

圖1　光學成像系統可實現小動物（如小鼠或大鼠）全身成像，有效監測小動物體內的腫瘤（左）；然而，光學成像技術的穿透力有限（雙箭頭），目前無法用于大型動物或人體的深層組織或器官（中）；介入放射學技術可通過經皮或身體自然管腔路徑，將穿刺針型或導管型微分子成像系統置入靶目標附近，從而實現活體深在部位的分子光學成像（右）（圖片由楊曉明博士團隊提供）Figure 1 Optical imaging can be effectively used to detect tumors of small animals，such as m ice or rats（left）；However，identifying deep-seated tumors in large animals or humans is difficult because of the light transportation gap（double arrow）that is attributed to tissue scattering and the reflection of excitation and em ission lights（m iddle）；Interventional radiology procedures via percutaneous or endolum inal approaches can bring needlebased and catheter-based micro-imagers close to the target tumors，thus elim inating the gap of light transportation（right）（image was provided by team of Dr. Xiaom ing YANG）

1.2輔助微小靶部位的光學成像

介入分子影像學的另一優勢是將管腔內成像系統與分子影像學完美結合，用于診斷和治療早期微小病變。近年研究的經管腔內分子光學成像和MRI技術系統可以精確地顯示管腔壁內的微小病灶，如動脈硬化斑塊和消化道早期癌。

最近開發的一種光學成像導管可以通過血管介入技術送達病變血管內，既能鑒別斑塊內成分及其穩定性，又能評價硬化血管壁的生物代謝情況，為預測心血管事件發生的風險性，指導臨床治療以及療效監測提供了一種有效手段。成為目前分子光學成像中最有應用前景的技術［6-8］。

此外，管腔內介入分子影像學技術已從心血管系統延伸至消化系統，形成獨立的專業-消化內鏡分子影像學［9-10］。消化內鏡分子成像技術分為大視野熒光靶向成像和高分辨率顯微組織成像兩類。這些技術的應用初步實現了即時組織病理成像與特異性功能成像，將對病灶的探查能力由原有的組織結構水平提高到分子功能水平，提高了消化道早期癌變的檢出率，展現了良好的應用前景。未來，消化內鏡分子影像學轉化應用于臨床需要突破以下瓶頸：研發適用于不同分子成像技術的低毒性、高特異性分子探針；研發便攜式的內鏡分子成像設備。

1.3介入放射學輔助傳送非靶向分子探針和治療劑

介入放射學可利用其影像引導的微創優勢，將非靶向性的分子探針和治療劑傳送至特定靶部位。如莫特沙芬釓（motexafin gadolinium，MGd）是一種廣譜抗癌藥，其特有的化學結構還賦予其放化療增敏劑、MRI的T1加權像增強劑和釋放紅色熒光的功能［11］；MGd還可以選擇性定位于代謝活躍的組織，如動脈粥樣硬化斑塊和各種實體腫瘤［11-15］。利用介入分子影像學手段，向管腔壁內局部注射MGd，可輔助診斷和治療相關疾?。?2-14］。

本研究組前期研究證實，MRI監測下以介入手段向冠狀動脈壁內局部注射MGd可清晰地了解冠狀動脈壁情況。此后，本研究組又成功地在管腔內分子MRI監測下行冠狀動脈內局部基因或藥物治療冠狀動脈粥樣硬化疾?。?2-14］。

近年來，本研究組將上述治療理念和手段轉化到膽管癌的局部治療上，在MRI監測下經皮經肝膽道穿刺路徑使用特制的球囊導管向膽管壁局部注射MGd和藥物的混合液，實現分子MRI監測下精準治療膽管癌的目的（圖2，3）。將MGd和臺盼藍混合物局部注入膽道壁內行MRI成像實驗。MGd用做MRI標記物以顯示膽道壁的強化，藍色染料則用做病理學對照評價。結果證實，MRI成像可以清晰顯示MGd在膽道壁內的分布，這為MRI監測下開展膽管癌局部治療提供了理論依據，為聯合治療晚期膽道惡性梗阻提供了新思路。

圖2　MRI監測管腔內分子經膽道藥物傳送系統：經皮經肝膽道穿刺路徑置入特制的球囊導管，球囊到達指定膽道后擴張固定，經球囊上的側孔向膽道壁注射MGd和藥物的混合液，整個膽道內介入過程在分子MRI監測下實施，再與病理學檢查對照核實（圖片由楊曉明博士團隊提供）Figure 2 Setup of the novel intrabiliary MRI-guided therapeutic delivery. Via the percutaneous transhepatic biliary drainage access，the special therapeutic delivery balloon catheter is positioned into the common bile duct（CBD）where MGd m ixed with therapeutics is locally infused into the CBD wall. During MGd or therapeutic infusion，intrabiliary high-resolution molecular MRI is generated via the MR imaging-guidew ire. Furthermore，pathology verifies the outcome of the treatment（image was provided by the team of Dr. Xiaom ing YANG）

圖3　MGd和臺盼藍混合物局部注入膽道壁（圖片由楊曉明博士團隊提供）Figure 3 MGd mixed w ith therapeutics is locally infused into the CBD wall（image was provided by the team of Dr. Xiaom ing YANG）

1.4輔助傳送靶向探針和治療劑

分子影像學最主要的潛在臨床價值是期望全身用藥的分子影像探針與人體內特定分子靶點進行特異性標記成像和治療［16-17］。理論上，靶向性的分子探針可以分布、定位于組織器官的特定分子靶點。然而，全身用藥后，這些探針到達特定分子靶點前，多數已經被肝臟、腎臟清除和代謝，這也是目前分子影像學技術的主要缺點之一。

經動脈治療是利用導管選擇性或超選擇性插入到腫瘤供血靶動脈后，將治療藥物直接注入腫瘤內。該治療方法的優點是微創、實時、全身反應??；但操作相對復雜，需要專用手術室。基于納米顆粒靶向治療是以納米顆粒作為治療藥物的載體，將藥物包裹在納米顆粒之中或吸附在其表面，同時在顆粒表面耦聯特異性的靶向頭，如單克隆抗體；使其經靜脈注射入人體后，與其相應的特定靶點結合，最后達到治療目的。該治療方法的優點是非侵入性、靶向性、易操作性；缺點是非即時起作用、易被肝腎清除。

介入分子影像學將影像學引導介入治療與基于納米顆粒靶向治療結合起來，介入放射學技術可以作為導入手段，通過超選導管或經皮穿刺針將這些分子探針傳送更接近特定靶部位，而分子影像學技術可負責監測整個介入輸送過程。通過兩種技術的組合，分子探針可避開體內清除機制，被超選擇傳送至靶向組織、器官，從而發揮其最佳效能。介入分子影像學技術使得基因治療和納米顆粒等惡性腫瘤的靶向治療藥物應用于臨床成為可能（圖4）。

2　分子影像學技術評價介入和手術治療效果

通過對介入分子影像學概念和應用的深入認識，已明確分子影像學的獨特功能，也可更加精準地監測介入治療并對其療效評價，進一步提高介入治療的安全性和有效性。

2.1監測介入治療療效

本研究組近年致力于加熱增加實體腫瘤化療敏感性的臨床前研究。為此，光學成像技術已成為監測和評價介入治療效果的重要工具［18］。本研究組首先通過慢病毒將綠色熒光蛋白（GFP）基因轉染于人膽管癌細胞系，建立表達GFP基因的膽管癌裸鼠模型，在影像學引導下行局部射頻加熱聯合局部化療。再利用分子光學成像技術，動態監測治療過程中瘤體光學信號變化（圖5）。對照組和單純射頻加熱組的腫瘤熒光信號隨著時間推移，表達逐漸增強。單純化療組和射頻加熱聯合化療組的腫瘤熒光信號隨著時間推移，表達逐漸減弱；其中射頻加熱聯合化療組在治療7天后，腫瘤熒光信號基本消失，提示聯合治療效果最顯著。

另外，分子MRI和超聲成像也被應用于各種惡性腫瘤介入治療后的療效評估［19-20］。分子MRI技術不但可提供腫瘤體積變化信息；還可用表觀彌散系數（apparent diffusion coefficient，ADC）值量化鑒別治療后的壞死和腫瘤殘留。因ADC值的增加與腫瘤壞死呈明顯相關性，使之成為早期評估腫瘤治療療效的有效指標。

圖4　介入分子影像學將影像學引導介入治療與基于納米顆粒靶向治療相結合，導管超選擇性插入到腫瘤供血靶動脈后，將納米顆粒藥物直接注入腫瘤內。這樣可避免納米顆粒藥物被肝腎清除，最大程度發揮其靶向治療功能（圖片由楊曉明博士團隊提供）Figure 4 The trans-artery treatment is a catheter-directed，instant，and m inimally invasive approach w ith relative complicity，whereas the particlebased treatment is a noninvasive and target-specific approach. The particle-based treatment disadvantages include being non-instant and clearance by kidneys. On the right image，the blue arrowheads indicate the receptors of the tumor and the white dots specify the targeted therapeutic-carrying nanoparticles. Combining the two approaches should provide a highly accurate targeted treatment of tumors. Endovascular placement of a catheter close to the tumor mass not only enables the direct injection of particles or therapeutics into the tumor but also avoids the trapping of the particles or therapeutics w ithin the liver and clearance of the particles or therapeutics from the kidneys（image was provided by the team of Dr. Xiaoming YANG）

圖5　綠色熒光蛋白基因標記的膽管癌裸鼠模型接受4種治療方案（對照、射頻加熱、局部化療和射頻加熱聯合局部化療），光學成像系統動態監測治療過程中腫瘤熒光信號表達情況［18］（圖片由楊曉明博士團隊提供）Figure 5　Optical images of GFP-labeled cholangiocarcinoma masses（arrow）in m ice from different treatment groups（image was provided by the team of Dr. Xiaom ing YANG）

2.2外科手術中實時評估腫瘤切緣情況

手術切除惡性腫瘤時，足夠的安全切緣是預防局部復發和提高生存率的重要保障。目前，確定安全切緣的金標準是術中冰凍切片檢查，但這種方法既耗時又存在漏診風險。

最近，術中實時分子影像技術已經被嘗試應用臨床。術中實時分子影像技術在成像方面可實時提供熒光圖像和彩色圖像，有助于精確顯示腫瘤邊界信息和淋巴結轉移灶，可幫助醫生確定腫瘤的安全切緣［21-24］（圖6為中國科學院田捷團隊與汕頭腫瘤醫院張國君團隊光學分子影像手術導航系統臨床應用）。與傳統技術相比，這一技術的應用可節約手術時間，精準指導切除范圍，使醫生能在手術過程中準確地發現、確認癌變，有效降低人為失誤。目前，已經有熒光造影劑被應用于術中分子影像技術中，包括非靶向性光學成像造影劑（如吲哚菁綠和5-氨基乙酰丙酸）［25］和靶向性光學成像造影劑（如葉酸熒光素）［26］。

圖6　分子光學影像手術導航系統術中精準定位腫瘤范圍。手術過程中應用分子光學影像手術導航系統（左）；吲哚菁綠（ICG）應用于探測和切除乳腺癌前哨淋巴結（SLN）（右）；所有標本均送病理檢查，證實為SLN（圖片由中國科學院田捷博士提供）Figure 6 Intraoperative multispectral imaging system. The application of multispectral fluorescence camera system during surgery（left）. ICG-guided intraoperative detection and resection of the SLN in breast cancer patients（image was provided by Dr. Jie TIAN）

3　結語

綜上所述，分子影像學技術的諸多問題，使該技術大多還處于動物實驗階段或臨床前階段，無法廣泛應用于臨床。介入放射學可彌補分子影像的不足。介入放射學和分子影像學正在快速發展、延伸、整合；介入分子影像學的理念和技術正在趨于完善。相信，介入分子影像技術在臨床實踐中的應用指日可待，并將對惡性腫瘤的診斷和治療模式產生深遠的影響。

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（2016-01-28收稿）

（2016-03-20修回）

（編輯：鄭莉校對：邢穎）

doi：10.3969/j.issn.1000-8179.2016.11.126

作者單位：①美國華盛頓大學醫學院（美國西雅圖98109）；②首都醫科大學附屬北京朝陽醫院；③浙江大學醫學院

通信作者：楊曉明xm yang@u.washington.edu

作者簡介

高君專業方向為肝腫瘤射頻消融臨床與基礎研究。

E-mail：gaojun8430@163.com

Advances on interventional molecular imaging

Jun GAO1，2，Feng ZHANG1，Xiaom ing YANG1，3

Correspondence to: Xiaom ing YANG；E-mail: xmyang@u.washington.edu
1The University of Washington School of Medicine in the United States，Seattle 98109，USA；2Affiliated to the Capital University of Medical Sciences，Beijing Chaoyang Hospital，Beijing 100043，China；3Zhejiang University School of Medicine，Hangzhou 310000，China
This work was supported by the Key Project of National Natural Science Foundation of China（No. 2013ZX10002004-001-005），National Key Basic Research Development Program（973 Program）（No. 2014CB744505），and US NIH RO1EBO12467

AbstractRecent advancements on interventional molecular imaging aimed to further complement the advantages of two imaging fields，namely，interventional radiology and molecular imaging. Interventional molecular imaging significantly improved the early diagnosis of cancer，local treatment，and monitoring of tumor treatments. Interventional radiology has continuously extended the capabilities of the currently available molecular imaging techniques to（i）obtain deep-seated targets；（ii）thoroughly exam ine small targets；（iii）precisely guide the delivery of non-targeted imaging tracers or therapeutics；and（iv）selectively enhance the effectiveness of targeted imaging and treatment w ith high accuracy. Molecular imaging has been used to guide interventional therapies and assess the therapeutic efficacies of medical interventions. The continuous efforts on interventional molecular imaging extend molecular imaging from benches or small animal laboratories to large animal suites and ultimately to certain clinical applications in humans and enhance the diagnosis and treatment of cancer.

Keywords:interventional molecular imaging，interventional radiology，molecular imaging，malignancy