光學(xué)分子影像學(xué)技術(shù)在腫瘤中的應(yīng)用進展

劉 凡，孫 蕾，于建渤

(牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院病理診斷中心，黑龍江省腫瘤疾病防治重點實驗室，黑龍江 牡丹江 157011)

光學(xué)分子影像學(xué)技術(shù)在腫瘤中的應(yīng)用進展

劉 凡，孫 蕾，于建渤*

(牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院病理診斷中心，黑龍江省腫瘤疾病防治重點實驗室，黑龍江 牡丹江 157011)

分子影像學(xué)技術(shù)是一種在活體狀態(tài)下從微觀上顯示組織、細胞及亞細胞水平的影像技術(shù)，具有實時、無創(chuàng)、精準及靈敏等特點，可在細胞和分子水平進行腫瘤早期篩查和診斷。隨著生物發(fā)光與熒光成像技術(shù)的進步，光學(xué)分子影像學(xué)技術(shù)快速發(fā)展。本文就光學(xué)分子影像學(xué)技術(shù)在腫瘤中的應(yīng)用進展進行綜述。

分子影像學(xué)；光學(xué)成像；腫瘤；生物發(fā)光；納米探針

光學(xué)成像是一種采用生物發(fā)光和熒光進行活體動物體內(nèi)成像的一種技術(shù)。生物發(fā)光是用熒光素酶基因標記細胞，利用其產(chǎn)生的蛋白酶與相應(yīng)底物發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)，最終產(chǎn)生光學(xué)信號。熒光是利用熒光報告基因(GFP、RFP)、熒光染料(Cyt、dyes)或量子點(quantum dots, QDs)以及上轉(zhuǎn)換稀土納米粒子等標記細胞內(nèi)的核酸或特殊蛋白后進行的成像[1-2]。兩者均需利用靈敏的光學(xué)檢測系統(tǒng)，直接監(jiān)控生物活體內(nèi)基因和細胞變化，觀測腫瘤的生長、侵襲和轉(zhuǎn)移等動態(tài)變化過程[3]。光學(xué)分子影像學(xué)技術(shù)作為分子影像學(xué)的重要組成部分，近年來已廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，如藥物開發(fā)、臨床實踐等[4-5]。本文對光學(xué)分子影像學(xué)技術(shù)在腫瘤的早期診斷、輔助治療、判斷預(yù)后以及監(jiān)測復(fù)發(fā)方面進行綜述。

1 光學(xué)分子影像學(xué)技術(shù)在腫瘤早期診斷中的應(yīng)用

光學(xué)成像技術(shù)通過對同一組實驗對象在不同時間點進行記錄，示蹤觀察同一目標(即標記的細胞及基因)的變化。熒光成像在腫瘤早期診斷中發(fā)揮實時、非侵入式、特異性跟蹤與探測的功能[6]。熒光分子探針作為一類標記化合物分子能夠與某一特定生物分子(如蛋白質(zhì)、DNA、RNA)或細胞發(fā)生特異性靶向結(jié)合，實現(xiàn)體內(nèi)和體外影像學(xué)示蹤，反映在體或離體靶向生物分子的量和功能，可直接快速無創(chuàng)地測量小鼠體內(nèi)的原位瘤和轉(zhuǎn)移瘤，即使微小轉(zhuǎn)移灶也能被檢測到(可檢測到活體內(nèi)約102個轉(zhuǎn)移的癌細胞)，并對腫瘤治療中瘤細胞的變化進行實時監(jiān)測和評估[7]。

Burggraaf等[8]成功地研制出一種水溶性熒光分子探針——GE-137，該探針由26個氨基酸環(huán)肽與熒光青花染料牢固結(jié)合而形成，可與人類酪氨酸激酶 c-Met高度親合；利用結(jié)腸癌微小息肉樣病變常伴 c-Met高水平表達的特點，在腸癌患者進行結(jié)腸鏡檢查前先經(jīng)靜脈注入GE-137，使其在微小息肉樣癌變部位與靶點c-Met高度密集結(jié)合，通過熒光青花染料的高度聚集發(fā)出可見熒光，輔助發(fā)現(xiàn)普通結(jié)腸鏡檢查不能發(fā)現(xiàn)的微小病灶(直徑5 mm)。

納米熒光粒子通常由量子點、熒光高分子納米微球和二氧化硅納米粒子等構(gòu)成，在上轉(zhuǎn)換激光的激發(fā)下，在特定激發(fā)區(qū)間發(fā)出熒光[4,7]。Wang等[9]利用腫瘤血管生成和腫瘤酸性微環(huán)境的特性，研發(fā)出一種無需特殊基因型或蛋白表型的納米探針——超敏pH(ultra-pH sensitive, UPS)納米探針，探針由3部分構(gòu)成：①可調(diào)性靈敏UPS反應(yīng)內(nèi)核，可對0.25范圍內(nèi)的pH值變化發(fā)生反應(yīng)，主要在pH值6.5～6.8區(qū)間發(fā)生反應(yīng)；②具有從綠色到近紅外(500～820 nm)激發(fā)區(qū)間的系列熒光團，該多色設(shè)計方案支持同時檢測多種類型的腫瘤；③細胞表面受體與納米探針結(jié)合的靶點，有利于探針信號在內(nèi)吞的細胞器擴增。通過UPS納米探針檢測小鼠A549肺癌移植瘤模型，納米探針可被腫瘤新生血管和細胞外基質(zhì)較低的pH值迅速激活，在激光激發(fā)下發(fā)出熒光信號，有助于區(qū)分正常組織和腫瘤組織，并識別新腫瘤轉(zhuǎn)移灶。

人類白細胞抗原(human leukocyte antigen, HLA)可與熒光染料結(jié)合形成探針，從而識別裸鼠移植瘤中的人類來源腫瘤細胞。Suemizu等[10]利用IVIS XenolightTM CF770試劑盒，將近紅外大分子與抗人HLA抗體相耦聯(lián)，構(gòu)建近紅外熒光抗HLA探針，并以小牛血清和甘氨酸為對照，利用腫瘤組織通透和滯留效應(yīng)，檢測人源性腫瘤裸鼠移植瘤，結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)腸癌、非小細胞肺癌和胰腺癌細胞系(HCT-116、LC11-JCK和BxPC-3)建立的裸鼠腫瘤模型均可很好地成像，其中注入90 μg的探針劑量時成像效果最佳，40 min是最佳成像時間點，且深部組織的熒光穿透能力優(yōu)于自體熒光tdTomato轉(zhuǎn)染成功的裸鼠腫瘤模型，證實此異體移植瘤檢測體系有較廣泛的應(yīng)用價值。

蛋白酶家族包含約560個成員，參與調(diào)節(jié)正常生理狀態(tài)，可在多種腫瘤疾病時發(fā)生明顯變化。Edgington等[11]研究設(shè)計基于酶作用底物的探針(充當(dāng)被蛋白酶加工的底物)和基于酶活性的探針(充當(dāng)?shù)鞍酌傅闹苯庸矁r抑制劑)，兩類探針可用于分析多種疾病模型中蛋白酶的活性，將患病時機體出現(xiàn)的蛋白酶作為功能性成像靶點，利用該蛋白酶的小分子抑制劑設(shè)計成靶向活性蛋白酶探針，促使靶點酶相關(guān)的腫瘤細胞發(fā)出熒光，最終促使活細胞甚至整個生物體可視化，達到診斷腫瘤的目的。

2 光學(xué)分子影像學(xué)技術(shù)在腫瘤治療中的應(yīng)用

光學(xué)分子成像技術(shù)在腫瘤治療研究方面有重要的作用，如腫瘤輔助治療、腫瘤術(shù)中成像和腫瘤靶向藥物傳遞，同時還可通過成像反映腫瘤的侵襲程度，對患者預(yù)后進行準確評估[12-14]。近期，工程化的整聯(lián)蛋白結(jié)合Knottin肽作為腦腫瘤成像劑引起研究者的關(guān)注。Moore等[15]將Knottin肽EETI 2.5F標記到存在整合素的腦瘤細胞上，流式細胞術(shù)驗證結(jié)合到光學(xué)成像探針的EETI 2.5F整聯(lián)蛋白(整聯(lián)蛋白已經(jīng)被鑒定為分子成像應(yīng)用和干預(yù)性治療的潛在靶標)，結(jié)果證實EETI 2.5F以高親和力結(jié)合Med1-MB腫瘤細胞；后經(jīng)裸鼠尾靜脈注射熒光AF680-EETI 2.5F進行腦腫瘤成像，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實驗組與對照組探針均可快速經(jīng)腎清除，降低非靶器官中背景熒光水平，并實現(xiàn)顱內(nèi)活體成像，且發(fā)現(xiàn)AF680-EETI 2.5F的腫瘤成像與探針特異性結(jié)合密切相關(guān)，可為動物模型中的無創(chuàng)腫瘤檢測和監(jiān)測提供參考。

田捷等[16]建立荷肝癌小鼠模型，利用復(fù)合熒光介孔硅球納米粒子探針(ICG/MSN-RGD)主動靶向標記腫瘤細胞和腫瘤周邊新生血管，模擬臨床腫瘤光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航檢測，采用靶向探針與光學(xué)成像系統(tǒng)的協(xié)同作用，可清晰顯示腫瘤邊界，避免多切或誤切，期間小鼠生存狀況無異常，表明該探針生物安全性較好，可增加微小腫瘤檢出率、減少手術(shù)切緣腫瘤組織殘存率。同時，可根據(jù)術(shù)中熒光成像顯示的腫瘤邊界和腫瘤侵襲情況判斷患者的預(yù)后。van Dam等[17]針對晚期卵巢上皮癌開展術(shù)中體內(nèi)熒光成像輔助確定手術(shù)切除邊緣；根據(jù)90%～95%的卵巢上皮癌表達葉酸受體(folate receptor-α, FR-α)，而正常卵巢上皮和卵巢良性腫瘤不表達的特點，將葉酸與異硫氰酸熒光素相耦聯(lián)，以FR-α為靶點進行標記，結(jié)果表明FR-α成像平均 10 min，成像過程不影響手術(shù)進程，4例卵巢上皮癌患者中3例成功成像并顯示出清晰的腫瘤邊界，手術(shù)切緣可以精確到 1 mm，另外5例卵巢良性腫瘤和1例交界性卵巢瘤均不成像。Xin等[18]成功地將PLGA脂納米顆粒與ICG染料和葉酸有機地結(jié)合(簡稱FA-RIPNPs)，該顆粒平均體積為92.8 nm，可通過葉酸介導(dǎo)而被細胞內(nèi)吞，既具備抗腫瘤藥物傳遞作用，也具備腫瘤熒光成像的作用。針對膠質(zhì)瘤U87細胞株進行體外和成瘤后體內(nèi)研究，表明該顆粒可通過凋亡途徑發(fā)揮81.4%的抑瘤效果，同時具備很好的熒光成像作用。Muhanna等[19]研究卟啉脂蛋白納米顆粒的應(yīng)用價值，將納米粒子與光動力治療法相結(jié)合，成功地將鼠頭頸鱗癌腫瘤模型腫瘤細胞的凋亡率從7.1%提高至73.2%，達到治療的目的。

3 光學(xué)分子影像學(xué)技術(shù)在腫瘤預(yù)后判斷中的應(yīng)用

Miyashiro等[20]將熒光探針靛青綠(diagnogreen, ICG)通過內(nèi)鏡穿刺方法注射到3例胃癌患者腫瘤周邊組織，成像發(fā)現(xiàn)3例患者尚未發(fā)生前哨腫瘤淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，且術(shù)后隨訪證實患者均無淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，表明熒光探針I(yè)CG具有較好的治療指導(dǎo)和預(yù)后判斷的作用。Manny等[21]對60例前列腺癌患者進行熒光增強自動前列腺根治切除術(shù)(fluorescence-enhanced robotic radical prostatectomy, FERRP)，先向每葉前列腺注射熒光ICG，10 min后可清晰看到前列腺發(fā)出明亮的綠色熒光，而閉孔神經(jīng)、血管束和精囊均未見熒光；30 min后可見前哨淋巴結(jié)發(fā)出熒光。FERRP在注射熒光物質(zhì)后特定時間內(nèi)可有效識別前列腺癌組織并指導(dǎo)手術(shù)，保護尿道末端神經(jīng)血管束，提高手術(shù)的安全性。

Muhanna等[19]采用VX2兔口腔癌模型研究卟啉脂蛋白納米顆粒的應(yīng)用價值，通過對該納米顆粒的靶向標記，熒光成像和PET/CT均可清晰地觀察到從腫瘤原發(fā)灶至局部淋巴結(jié)的轉(zhuǎn)移路徑，并可識別未知的復(fù)發(fā)腫瘤灶，有助于判斷口腔癌的預(yù)后。Atallah等[22]成功地建立裸鼠原發(fā)性頭頸鱗狀細胞癌，采用近紅外成像手術(shù)引導(dǎo)設(shè)備對裸鼠的腫瘤進行手術(shù)切除，實驗組和對照組的裸鼠腫瘤分級無顯著差異，近紅外成像的探針靶點是癌細胞高表達的整合素αvβ3。通過近紅外成像監(jiān)測，腫瘤殘余體積小于185 μm，術(shù)后隨訪分析表明裸鼠的無瘤生存率比對照組高50%。

4 光學(xué)分子影像學(xué)技術(shù)在腫瘤復(fù)發(fā)監(jiān)測的應(yīng)用

Yumoto等[23]利用親脂性熒光染料DiD標記前列腺癌細胞株，采用流式細胞儀篩選高表達DiD和低表達DiD的癌細胞，發(fā)現(xiàn)低表達DiD癌細胞的有絲分裂指數(shù)相對更高，且發(fā)現(xiàn)DiD對正常細胞代謝、生長和凋亡均無影響。因此，利用DiD熒光染料可探索前列腺癌細胞休眠機制、識別其潛在的復(fù)發(fā)傾向。Chan等[24]采用ICG成像監(jiān)測鼻咽癌復(fù)發(fā)部位的前哨淋巴結(jié)。在復(fù)發(fā)腫瘤周邊注射5 mg ICG溶液并實時觀察周邊淋巴結(jié)成像，成像時間平均為288 s，并對成像的淋巴結(jié)實施切除；5例患者共9個前哨淋巴結(jié)被識別和切除，其中3例患者的淋巴結(jié)被證實有腫瘤細胞浸潤，表明利用ICG成像技術(shù)監(jiān)測鼻咽癌復(fù)發(fā)是可行的。Mueller等[25]研發(fā)出一種定量可視顯微工具，吖啶黃熒光染料可與核酸結(jié)合，易于結(jié)合肌肉纖維和膠原。該團隊針對34只鼠肉瘤模型開展研究，在局部肉瘤組織被切除后的空洞部位進行成像驗證，8只鼠在短時間內(nèi)死亡，余26只中9只局部復(fù)發(fā)；結(jié)果表明熒光成像檢測手段預(yù)測復(fù)發(fā)的敏感度為78%，特異度為82%；而使用病理手段預(yù)測局部復(fù)發(fā)的敏感度僅為29%，特異度為71%，提示使用定量可視顯微手段監(jiān)測肉瘤復(fù)發(fā)是一種有效的手段。

5 小結(jié)與展望

光學(xué)分子影像學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，熒光染料和熒光納米探針正在廣泛應(yīng)用于臨床前研究，針對不同的腫瘤模型和特定的腫瘤生物學(xué)狀態(tài)設(shè)計靶向探針成像體系，在腫瘤早期診斷方面顯示出其他技術(shù)手段不可替代的優(yōu)勢。此外，熒光成像在手術(shù)中腫瘤邊界定位方面展示出強大的優(yōu)勢，不僅可幫助術(shù)者定位腫瘤原發(fā)灶的清晰邊界，還可輔助發(fā)現(xiàn)淋巴道轉(zhuǎn)移的軌跡，指導(dǎo)術(shù)者進行淋巴結(jié)清掃或保留。光學(xué)分子影像學(xué)技術(shù)在腫瘤靶向治療、預(yù)后分析和監(jiān)測復(fù)發(fā)等方面也發(fā)揮著重要的作用。但光學(xué)分子影像學(xué)技術(shù)仍存在一些不足，如探針發(fā)出的波長范圍固定，無法適用于所有腫瘤的檢測，光學(xué)分子探針與靶點結(jié)合時存在非特異性結(jié)合，雖然敏感度較高，但導(dǎo)致其特異度降低，仍需深入研究并改進?？傊?，分子影像學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和臨床轉(zhuǎn)化將是實現(xiàn)腫瘤精準治療的重要途徑。

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Application progresses of optical molecular imaging techniques in cancer

LIU Fan, SUN Lei, YU Jianbo*

(Department of Pathology, Affiliated Hongqi Hospital of Mudanjiang Medical University, Key Laboratory of Tumor Prevention and Treatment of Heilongjiang Province, Mudanjiang 157011, China)

The molecular imaging technology is a kind of imaging technology which displays the microstructure of tissue, cell and sub-cellular level in vivo. It has the characteristics of real-time, noninvasive, accurate and sensitive, and can be used for early screening and diagnosis of tumor at the cellular and molecular level. Following the development of bioluminescence and fluorescence imaging, optical molecular imaging technology is making rapidly progression. The application of optical molecular imaging technology in cancer was reviewed in the paper.

Molecular imaging; Optical imaging; Tumor; Bioluminescence; Nanoprobe

國家自然科學(xué)基金(81271628)。

劉凡(1990—)，女，河南駐馬店人，在讀碩士。研究方向：腫瘤分子影像學(xué)。E-mail: 1062428910@qq.com

于建渤，牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院病理診斷中心，黑龍江省腫瘤疾病防治重點實驗室，157011。

E-mail: jianboyu2001@vip.sina.com

2016-11-29 [

] 2017-06-15

10.13929/j.1003-3289.201611145

R445

A

1003-3289(2017)09-1417-04