內鏡分子影像學技術在炎癥性腸病病情評估及治療中的應用進展

萬俊辰，張妙心，楊青林，周琦

華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院消化內科，武漢 430030

炎癥性腸病（IBD）是一種病因不明的慢性非特異性腸道炎癥性疾病［1］，包括潰瘍性結腸炎和克羅恩病。消化內鏡是IBD 診斷、治療和療效評估的主要手段。內鏡分子影像學或內鏡分子成像是將內鏡成像技術與細胞分子生物學相結合，通過特異性熒光探針對靶分子進行標記，在分子水平上實時成像。目前該技術已應用于多種疾病的診斷、治療和監測，如Barrett 食管、胃腸道化生、扁平和凹陷性散發性結腸腺瘤、不明原因的膽管狹窄等［2］。內鏡分子影像學還可用于評估腸道炎癥、監測結腸炎相關癌（CAC）、預測治療反應及優化治療藥物劑量等。內鏡下分子成像系統主要包括熒光標記的靶向分子探針和體外探針成像裝置。常用的分子探針包括多肽、抗體、可激活探針和納米顆粒［2］。常用的標記染料為高親和熒光素，如近紅外熒光染料Cyanine 5.5、異硫氰酸熒光素（FITC）和Alexa Fluor 488［3］。最新的內鏡技術如共聚焦激光顯微內鏡（CLE）、自體熒光成像、熒光顯微內鏡、光學相干斷層成像、近紅外光成像（NIR）等已被用于內鏡下分子成像。CLE 可在內鏡下實現“光學病理活檢”，在IBD 活動性、炎癥復發、黏膜愈合、治療反應的評估和CAC 的檢測方面具有重要應用價值［4］。自體熒光成像可根據不同類型組織（包括腫瘤組織）在短波長光源激發后的熒光發射差異來顯示病變，無需熒光探針，可提高診斷胃腸道異型增生和早期腫瘤的靈敏度［5］。與可見光相比，NIR 減少了組織的光吸收和散射，組織穿透性更強，已被用于Barrett食管、結腸腺瘤等的檢測［6］。現就內鏡分子影像學技術在IBD 病情評估及治療中的應用相關研究作一綜述。

1 內鏡分子影像學技術在IBD病情評估中的應用

1.1 IBD 的炎癥評估 內鏡檢查是評估IBD 活動性的“金標準”，黏膜愈合已逐漸成為IBD 治療管理的新目標［7］。研究者利用組織蛋白酶或基質金屬蛋白酶（MMP）激活的NIR 探針，在右旋糖酐硫酸鈉誘導的小鼠結腸炎模型中進行腸道成像，結果顯示，熒光信號與炎癥細胞浸潤增加、上皮萎縮有關，且量化的NIR 信號與結腸炎組織學評分顯著相關［8-9］。中性粒細胞彈性蛋白酶（NE）通過E-鈣黏蛋白破壞腸上皮屏障，促進中性粒細胞胞外陷阱形成，維持并加重炎癥損傷［10］。有研究者利用NE-可激活探針檢測小鼠結腸炎模型中NE 活性，發現后者與結腸炎癥、疾病嚴重程度呈正相關［11］。靶向葉酸受體的近紅外染料（OTL0038）可在炎癥部位的活化巨噬細胞中蓄積。研究者發現結腸炎小鼠在抗炎治療結束后，結腸中OTL0038 的攝入量低于對照組，并與疾病嚴重程度呈正相關［12］。多光子顯微內鏡利用組織中細胞產生的自體熒光和膠原組織產生的二次諧波，可在細胞和亞細胞水平實時快速成像，無需熒光標記探針［13］。有學者在急性腸道炎癥小鼠模型中，運用該技術對結腸黏膜進行重復成像，可顯示腸道炎癥變化過程［14］。也有研究利用基于自身組織、無需探針的熒光壽命成像檢測結腸輕度炎癥，發現該成像技術可用于監測炎癥的發展和變化［15］。上述技術與內鏡結合后不僅有助于IBD 的早期診斷，也可評估和量化腸道炎癥。

1.2 監測CAC IBD 患者發生CAC 的風險隨著疾病持續時間、嚴重程度和病變范圍的增加而增加，所有發病8 ～ 10年的IBD 患者均應完善結腸鏡CAC 篩查［1］。由于IBD 相關腫瘤常為扁平或凹陷性病變而容易漏診，并迅速發展為晚期腫瘤，因此建議對整個結腸進行非靶向活檢，若發現黏膜可疑異型增生或與周圍黏膜顯著不同，應行靶向活檢。染色內鏡被認為是靶向活檢的標準檢測方法［1］，然而其靈敏度受腸道形態結構變化的限制，如果變化微小則容易漏檢，而分子成像有望彌補這一缺陷。

組織蛋白酶參與腫瘤微環境中的蛋白水解過程，在腫瘤相關巨噬細胞中表達豐富，而在正常或炎癥黏膜的免疫細胞中表達較少［16］。GOUNARIS等［17］報道，結腸炎小鼠注射組織蛋白酶水解底物探針后，NIR 可檢測腸黏膜組織蛋白酶活性。與輕度結腸炎組織切片相比，異型增生和CAC 組織蛋白酶活性分別升高5 倍和8 倍，在平均熒光強度的截斷值為1 000 時，檢測異型增生的靈敏度和特異度分別為100%和83%，能準確區分異型增生組織和良性炎癥性病變。其他相關研究也成功利用組織蛋白酶激活探針在IBD 小鼠模型和人類組織中識別異型增生和CAC［18-20］。

γ-谷氨酰轉肽酶是谷胱甘肽代謝的細胞表面酶，在人結腸癌細胞中高度表達。酶促快速激活探針（γ-谷氨酰羥甲基羅丹明綠，gGlu-HMRG）被γ-谷氨酰轉肽酶特異性切割后可發出熒光。研究者在結腸炎小鼠模型中局部噴灑gGlu-HMRG，5 min 即可檢測到異型增生或＜1 mm 的癌灶，且熒光持續至少30 min，腫瘤和炎癥背景之間有高信號對比［21］。

已知結直腸腫瘤組織中MMP-2、MMP-9 表達明顯升高。SCHWEGMANN 等［22］利用MMP 可激活探針進行內鏡熒光成像，可檢出結腸炎小鼠的結直腸腺瘤。YOON 等［23］還發現，MMP 可激活探針的NIR信號強度與腫瘤的發展階段密切相關，并可以鑒別炎癥和腫瘤。

DE PALMA 等［24］利用噬菌體展示技術篩選出一種與結腸異型增生具有較高親和力的七肽，用熒光素標記后行CLE 成像，可鑒別炎性息肉與潰瘍性結腸炎相關異型增生。這些研究表明，內鏡下分子成像可在IBD 炎癥背景下特異性識別異型增生和CAC，并可在形態學改變之前更早地檢出，在IBD 長期隨訪監測中具有良好潛力。

2 內鏡分子影像學技術在IBD治療中的應用

2.1 預測治療反應 隨著各種生物制劑的問世，IBD 患者的治療逐漸向個性化治療發展，根據個體特征差異化用藥可提高治療應答率，減少藥物不良反應。早期預測治療方案的臨床反應具有重要意義［25］。腫瘤壞死因子α（TNF-α）抑制劑是IBD 治療中使用最為廣泛的生物制劑，但目前臨床尚無可應用于預測抗TNF-α 治療反應的生物標志物。TNF-α抑制劑治療IBD 的主要機制是與腸黏膜中表達膜結合型TNF（mTNF-α）的免疫細胞結合，誘導T 細胞凋亡［26］，而IBD 患者失應答的重要原因是mTNF-α 陽性細胞的缺失［27］。有學者將99mTc-annexin V 作為凋亡信號的分子探針，分別于英夫利昔單抗治療前和治療24 h 后使用單光子發射計算機斷層掃描（SPECT）對14 例活動期克羅恩病患者腸道細胞凋亡情況進行實時成像，發現對治療有反應的患者結腸細胞對99mTc-annexin V 攝取平均增加98.7%，而無反應患者僅增加15.2%（P=0.03）［28］。這表明英夫利昔單抗的作用機制與誘導黏膜免疫細胞凋亡有關，且99mTc-annexin V 結合SPECT 可預測其臨床反應。但由于輻射量較大，SPECT 不適用于IBD 患者的隨訪監測。

ATREYA 等［29］借助噴射導管將熒光標記的抗TNF 抗體局部應用于25 例克羅恩病患者的病變黏膜，隨后通過CLE 觀察腸道mTNF-α 陽性細胞數量，結果發現，與mTNF-α 陽性細胞數量較少的患者相比，數量較多的患者在阿達木單抗治療12周后短期緩解率更高（分別為15%、92%）；以mTNF-α 陽性細胞數量≥20 作為截斷值，預測治療反應的靈敏度為84.6%，特異度為91.7%；而且，在腸道中有大量mTNF-α陽性細胞的患者中，臨床反應性持續了1年，并與隨訪內鏡檢查觀察到的黏膜愈合有關。隨著研究的進展，學者們發現了更多與抗TNF 抗體失應答有關的機制，如腸道巨噬細胞產生過量IL-23、腸黏膜抑瘤素M 水平升高及IL-7 受體表達增加等，未來研發這些分子的靶向探針也有助于預測治療反應［30］。

有研究者以FITC-維得利珠（VDZ）作為分子探針，對5 例抗TNF 治療無效的克羅恩病患者行CLE檢查，觀察其靶分子α4β7 整合素在腸黏膜中的表達，結果顯示，經VDZ 治療后有持續臨床和內鏡下緩解的2 例克羅恩病患者中，α4β7 整合素表達陽性，而3 例無反應者未觀察到α4β7 整合素表達［31］。一項前瞻性研究納入29 例IBD 患者（潰瘍性結腸炎14 例、克羅恩病15 例），在治療前、抗TNF 治療12 周和VDZ治療14～16周后行探針共聚焦激光內鏡檢查和組織學評分以評估治療反應，取活檢標本行FITC標記的英夫利昔單抗和維得利珠單抗染色，結果發現離體腸黏膜與單抗的結合程度越高，則藥物治療反應性更強，可預測潰瘍性結腸炎對維多利珠的應答（受試者工作特征曲線下面積為0.83、準確率77%、陽性預測值89%、陰性預測值50%），并且在治療應答的潰瘍性結腸炎患者中熒光強度降低14%，而克羅恩病患者沒有顯著變化，提示生物制劑靶點的分子標記可成功預測潰瘍性結腸炎的治療應答［32］。

近期，有研究者利用TNF-α靶向微泡（MBTNF-α）腸內超聲分子成像系統，對IBD 患者離體腸黏膜直接噴灑MBTNF-α，使靶向造影劑與mTNF-α 直接快速結合，再通過腔內超聲評估炎癥反應程度和定量檢測mTNF-α 表達［33］。未來利用超聲內鏡結合MBTNF-α技術，可在動物或人體內進一步研究，這將是預測TNF-α抑制劑反應的另一種前景策略。上述研究均表明，對IBD 治療靶點的分子成像可預測生物制劑的療效，有望為個體化治療開辟新的途徑。

2.2 優化治療藥物劑量 研究表明，生物制劑的黏膜濃度而非血清濃度是影響IBD 治療反應的關鍵因素［34-35］，而其局部濃度尚不可直接測量。多直徑單纖維反射光譜（MDSFR）和單纖維熒光光譜（SFF）可校正組織吸收和散射等特性，準確量化黏膜熒光信號［36］。在接受新輔助放化療的局部晚期直腸癌患者中，熒光分子探針能夠測量組織中的局部藥物濃度，且后者與熒光信號的振幅存在相關性［37］。未來可借助MDSFR 在IBD 內鏡隨訪中評估藥物反應，以確定最佳藥物劑量。

綜上所述，內鏡分子影像學技術將消化內鏡與分子影像學結合，可從分子水平上診治IBD。當使用具有特定光譜的不同熒光染料偶聯多種抗體后，可通過內鏡多光譜成像系統同時顯像，在治療開始前預測患者治療反應，個體化選擇單克隆抗體，并通過MDSFR/SFF光譜測量各種單抗的濃度，根據單抗的黏膜濃度和腸道炎癥評估治療反應，進一步優化劑量。此外，隨訪過程中可在IBD炎癥黏膜中準確區分異型增生或CAC。新的生物制劑靶向分子探針仍在研制中［38］，未來尚需進一步開展更大規模的、針對新靶點制劑（如IL-12/23 抗體）的內鏡分子成像試驗，探針應用前尚需解決人體安全性問題及成像程序、圖像處理、熒光信號定量的標準化問題。人工智能輔助結腸鏡檢查能提高息肉及腺瘤檢出率，并可對IBD患者的黏膜炎癥及復發風險進行分級［39-41］。將人工智能與內鏡下分子成像技術相結合有望規范操作流程，減少人為因素造成的漏檢與誤診。