分子影像学概论

1、 分子影像学概论 Molecular imaging12020/4/9目录第一节 分子影像学的产生和定义第二节分子影像学成像基本原理及基本条件第三节分子影像学的分类和研究内容第四节分子影像学的特点第五节分子影像学的应用22022/8/1832022/8/18分子影像学出现的背景近20年来,基因组学和蛋白质组学的迅猛发展，提供了人类启动疾病发生、促进疾病发展、疾病预及评估治疗效果的分子系列变化研究的基础。同时医学影像技术经历了:结构成像、功能成像和分子影像三个阶段的发阶段逐渐成熟起来。在此基础上形成以分子生物学与不断创新的现代医学影像技术相结合在分子及基因水平诊断和指导疾病治疗的模式-分子影像学

2、。42022/8/1852022/8/18分子影像学早期定义为应用影像学方法在细胞和分子水平对活体内状态下的生物过程进行定性及定量研究。62022/8/18最新定义 随着对分子影像学认识的不断发展，认为分子影像学是在分子水平上进行无损伤的实时成像，了解体内特异性基因或蛋白质表达的部位、水平、分布及持续时间的新兴交叉学科，能直接或间接监控和记录分子或细胞事件的时间和空间分布。72022/8/1882022/8/18医学影像技术发展92022/8/1819-20世纪102022/8/1820世纪90年代112022/8/1821世纪以来122022/8/18132022/8/18142022/8/

3、18国内外现状和发展趋势152022/8/18目录第一节 分子影像学的产生和定义第二节分子影像学成像基本原理及基本条件第三节分子影像学的分类和研究内容第四节分子影像学的特点第五节分子影像学的应用162022/8/18分子影像学成像基本原理将制备好的分子探针（Molecular probe） 引入活体组织细胞内，在后体内标记的分子探针与靶分子相互作用，利用先进的成像设备检测分子探针发出的信息，经计算机处理后生成活体组织的分子图像、功能代谢图像或基因转变图像。172022/8/18分子影像学基本条件分子影像成像三个基本条件 1.合适的分子探针 2.生物信号放大 3.敏感、快速、高分辨的成像技术18

4、2022/8/181. 分子探针构建什么是分子探针？ 指能和靶结构特异性结合的物质(如配体或抗体等)与能产生影像学信号的物质(如放射性核素、荧光索或顺磁性原子）以特定方法结合构成一种化合物，这些被标记的化合物分子能在体内和或离体发映靶生物分子量和或功能。192022/8/18分子识别是构建合适的分子探针的基础。 分子识别的过程实际上是分子在特定的条件下通过分子间作用力的协同作用达到相互结合的过程。 这其实也揭示了分子识别原理中的三个重要的组成部分，“特定的条件”即是指分子要依靠预组织达到互补的状态，“分子间相互作用力”即是指存在于分子之间非共价相互作用，而“协同作用”则是强调了分子需要依靠大环

5、效应或者螯合效应使得各种相互作用之间产生一致的效果。 分子识别主要形式包括抗原与抗体结合，受体与配体结合，酶与底物结合及核苷酸碱基配对等202022/8/18212022/8/18222022/8/18232022/8/18242022/8/18“分子探针”分类分子探针大致可分为4 种：用化学分子合成法合成的小分子探针、肽类分子探针、核酸类探针和智能分子探针。 根据所有影像学检查手段的不同，可将之分为核医学探针、光学探针、MRI探针、光学成像及超声探针等。根据所用对比剂种类分为靶向性探针和可激活探针。其中靶向性探针最为常用。252022/8/18选择分子探针应该遵循以下原则：对靶分子具有高度特

6、异性和亲合力；能反映活体内靶分子含量；具有较强的通透性，能顺利到达靶分子部位；无毒副作用；在活体内相对稳定；在循环中中既能与靶分子充分结合又有适当的清除期，以避免“高本底”对显像的影响。262022/8/182. 生物信号放大由于分子探针的含量（或浓度）非常低（ng或pg水平），它与靶分子结合后成像信号非常微弱，因而必须进行成像生物信号放大。一般以为，可通过提高靶结构的浓度或利用“RecA蛋白 互补单链DNA探针”与固定的肽核酸 (bis PNA)探针相结合把结果作用后物理特性改变等方法实现。272022/8/183. 敏感、快速、高分辨的成像技术 目前有多种敏感、快速、高分辨的成像技术。其中

7、最常用者核医学（PET和SPECT）、MRI、超声及光成像等。也有各种技术相结合的成像技术。如PET/CT、PET/MRI、SPECT/CT等。282022/8/18目录第一节 分子影像学的产生和定义第二节分子影像学成像基本原理及基本条件第三节分子影像学的分类和研究内容第四节分子影像学的特点第五节分子影像学的应用292022/8/18分子影像学的分类根据探针及成像仪器分为核医学、MRI、荧光及超声分子成像302022/8/18312022/8/18322022/8/18332022/8/18第三节 分子影像学主要内容342022/8/18352022/8/18362022/8/181）分子核医

8、学的基本原理 利用放射性同位素标记在体内所需的某一种代谢产物上制成探针，然后将这种探针注入人体后观察一定时间内同位素在体内的代谢、分布、排泄情况，从而知道人体内某种特定功能。 2）显像设备主要是PET和SPECT。 3）主要显像类型包括代谢显像（常见的有葡萄糖、脂肪酸、氨基酸胆碱、核酸及乙酸）、受体显像（神经受体多巴胺、五羟色胺）、基因显像、多肽显像、凋亡显像、单抗放射免疫显像、血管生成显像、乏氧显像、信号转导显像等。核医学分子成像372022/8/18分子核医学分子核医学能提供那些生物学信息 代谢增殖缺氧凋亡基因表达血供受体382022/8/18392022/8/18402022/8/184

9、12022/8/18422022/8/18432022/8/18442022/8/18452022/8/18462022/8/18472022/8/18482022/8/18492022/8/18502022/8/18512022/8/18基因显像522022/8/18MRI分子成像 MR 的优势在于在于可以获得解剖生理信息以极高组织分辨率。一般意义的MR 是以组织的生理特征、多种物理作为成像对比的参照。 分子水平的MR 成像是建立在以上传统成像技术基础上， 以在MR 图像上可显像的特殊分子作为成像标记物，对这些分子在体内进行具体的定位。MR 分子成像可在活体完整的微循环下研究病理机制,并可提

10、供三维信息。主要包括传统的磁共振技术和功能磁共振及核磁共振波谱。其中功能磁共振包括灌注成像、扩散成像、局部血容积、局部脑血流和血氧水平依赖性对比度成像。磁共振技术中由于磁共振检测靶向对比剂的敏感度较低，MRI分子成像需要强大的信号扩增系统，一种是用超顺磁转铁蛋白探针标记的转铁蛋白受体，另一种是通过第二信使系统，在酶的催化下形成其他产物被磁共振探测到。MR 的具体应用主要包括基因治疗成像与基因表达、分子水平定量评价肿瘤血管生成、显微成像、活体细胞及功能性改变等方面。暂时用磁共振技术进行的基因表达显像532022/8/18MRI分子成像542022/8/183.荧光分子成像光学成像是分子生物学基础

11、研究最常用、最早的成像方法。光学成像”无射线辐射，对人体无害，可重复曝光。光学分子成像技术将光学过程与一定的分子性质相结合，用于组织病理变化的早期研究。这项技术可凭借软组织对光波的不同吸收与散射识别不同成分，对浅表软组织分辨高，并且可利用天然色团所特有的吸收获得功能信息。光学分子影像用于体内基因表达，552022/8/18光学成像的方法及特点光学成像的方法较多,主要有多光子成像、近表面共聚焦成像、弥散光学成像、紫外线荧光成像和活体内显微镜成像等。近紫外线荧光成像依靠界定波段一个荧光分子的光源,它的探针能将靶目标与背景率提高几百倍。近红外荧光探针在活体进行的肿瘤组织中蛋白酶表达水平的研究表明,

12、肿瘤的恶性程度与之后和组织蛋白酶表达水平相关, 进而实现了从分子水平来预测肿瘤侵袭的想法。组织蛋白酶B 与H 活动成像可以发现亚毫米肿瘤,在与癌、感染、炎症、心血管疾病及退行性疾病相关的内源性基因产物成像中拥有广泛的应用前景。562022/8/18572022/8/18582022/8/18592022/8/184.超声分子成像超声分子成像主要是指将微泡造影剂通过血管进入靶组织，观察靶区在组织水平、细胞及亚细胞水平的成像，从而表明病变区组织在分子基础方面的变化。靶向性造影剂是一种特殊类型的超声造影剂，是超声分子影像学发展的重要标志。602022/8/18超声靶向造影剂靶向造影剂携带基因和药物，

13、可以定向增加病灶区域的药物浓度，使药效得以提高，并能减少药物全身不良反应;在对于新药的临床研究中，能够验证新型药物的靶标，提高新药质量 。微泡造影剂拥有特定的物理特性，如微共振、非线性振荡等，并在超声的触发下破裂释放;其空化效应能使血脑屏障短暂开放，表现出了综合诊断治疗的潜力。微泡的大小将其限定于血管腔内，应用于超声分子影像学中观察炎症、血栓及血管生成时，可明显增强图像对比度。612022/8/18超声靶向造影检测前列腺癌622022/8/18目录第一节 分子影像学的产生和定义第二节分子影像学成像基本原理及基本条件第三节分子影像学的分类和研究内容第四节分子影像学的特点第五节分子影像学的应用63

14、2022/8/18分子影像学特点1.分子影像技术可无创的将基因表达、生物信号传递等复杂的过程变成直观的图像(可视化)，使人们能更好地在分子细胞水平上了解疾病的发生机制及特征;2.能够发现疾病早期的分子细胞变异及病理改变过程;3.可在活体上连续观察药物或基因治疗的机理和效果。通常，探测人体分子细胞的方法有离体和在体两种，分子影像技术作为一种在体探测方法，其优势在于可以连续、快速、远距离、无损伤地获得人体分子细胞的三维图像。它可以揭示病变的早期分子生物学特征，推动了疾病的早期诊断和治疗，也为临床诊断引入了新的概念。642022/8/18目录第一节 分子影像学的产生和定义第二节分子影像学成像基本原理

15、及基本条件第三节分子影像学的分类和研究内容第四节分子影像学的特点第五节 分子影像学的应用652022/8/18（一）在诊断方面通过对疾病发生过程中的关键标记分子进行成像，可在活体内直接观察到疾病起因、发生、发展等一系列的病理生理变化和特征; 目前主要应用于肿瘤学、心血管、神经系统等方面疾病的诊断。662022/8/18代谢：18F-FDG增殖：18F-FLTER受体：18F-FES凋亡：18F-annexin V乏氧：18F-FMISO能量：99mTc-MIBIHER-2表达:18F-Affibody乳腺癌分子分型与靶向探针+-分化程度细胞增殖靶向诊疗内分泌治疗提高氧含量监测疗效-99mTc-

16、MIBI多药耐药-18F-FDG672022/8/18内分泌治疗分子靶向治疗化疗/放疗合适病人？合适时间？合适方法？ “The right patient, right time, the right treatment” Percision medicine原发+ 转移+原发+ 转移-精准医疗个体化医疗ER/PRER- PR-HER2-EGFR分子分型(triple negative breast cancer, TNBC)HER2+诊疗决策精准治疗乳腺癌682022/8/18Pre-RxPost-RxFESFDGFDG Newly Dxd met breast CA ER+ primary

17、 FES-negative bone metsUniversity of Washington Recurrent sternal lesion ER+ primary Recurrent Dz strongly FES+Example 1Example 2(Linden, J Clin Onc, 2006)有效无效肿瘤个体化治疗:同病异治692022/8/18EGFR高表达肿瘤：子宫内膜癌、卵巢癌、乳腺癌、胰岛细胞癌、肺癌、结肠癌等。VEGFR抑制剂：贝伐单抗等；表皮生长因子受体酪氨酸激酶抑制剂（EGFR-TKI)：易瑞沙(Gefitinat)、特罗凯、凯美纳。重组人血管内皮抑制素：恩度(r

18、h-Endostatin) 肿瘤个体化治疗:异病同治表皮生长因子受体(Epidermal Growth Factor Receptor, EGFR)EGFR抑制剂EGFR表达 仅50%-63%的肺癌患者有EGFR表达西妥昔单抗Cetuximab贝伐单抗（Avastin）范德他尼（Zactima,ZD6474）702022/8/18表皮生长因子监测EGFR表达的分子影像712022/8/18ER(+)ER(-)内分泌治疗？生物靶向治疗？肿瘤个体化治疗Her-2 + Her-2 - ER（-）ER（+）分化：低预后：差分化：好预后：好HER-2(+)HER-2(-)约有25-30的乳腺癌HER-2

19、阳性赫赛汀寻找合适的治疗对象722022/8/18肿瘤的分期7313NH3H2O 心肌血流灌注断层显像18F-FDG 心肌代谢断层显像心肌存活灌注-代谢不匹配SOS！不匹配742022/8/1813NH3H2O血流灌注显像18F-FDG代谢显像心肌不存活灌注-代谢匹配匹配太晚了.752022/8/18762022/8/18772022/8/18782022/8/18792022/8/18（二）治疗方面观察药物作用过程中一些关键的标记分子有没有改变，即可推论这种治疗有无效用;802022/8/18FDG PET AND Cancer therapy response 葡萄糖代谢评估肿瘤对治疗的反

20、应 Baseline24 hours 7 days 2 months 5.5 months药物治疗胃肠道间质细胞瘤 早 期准 确812022/8/18自2013年，177Lu-PSMA-617靶向治疗进展期前列腺癌（A）PSMA 配体的PET/CT图像，（B）治疗中线共释放可用于显像，（C）99m-Tc-PSMA显像图相比较治疗后的图像，表现病灶逐渐减少。822022/8/182008.062008.082014.0500583,女，70岁，弥漫大B FDG PET/CT对淋巴瘤的疗效与复发监测83（三）在药物开发方面通过设计特异性探针，直接在体内显示药物治疗靶点的分子改变，通过建立高能量的影

21、像学分析系统，可大大加快药物的筛选和开发;842022/8/18 测定PET药物在动物体内生物分布和药物代谢动力学 评估体内吸收剂量和临床前放射药理活性 探针的筛选及鉴定新药研发852022/8/1818F-labeled anti-HER2-targeting peptideJ. Sutcliffe UC Davis862022/8/18J. Sutcliffe UC Davis872022/8/18（四）在基因功能分析以及基因治疗的研究方面通过设计一系列特异性探针，建立高通量的基因功能体内分析系统，可实时显示该基因在体内表达的丰度、作用过程，也可在体内观察目的基因表达效率，直接评价疗效。8

22、82022/8/18892022/8/18902022/8/18（五）基础科学研究 能带来前所未有的便捷。传统的动物实验方法需要在不同的时间点处死实验动物以获得相应数据, 得到却是多个时间点因个体差异造成误差的实验结果。相比之下，采用分子影像方法通过对同一组实验对象不同时间点进行跟踪、记录同一观察目标（标记细胞及基因）的移动及变化，获得的数据更为真实可信,而且节省了实验时间和实验经费。912022/8/1818F-FLT PETC. Waldherr. et al .Molecular Imaging, 2009; 48: 25肿瘤增殖显像A431子宫癌肿瘤模型鼠经PKI-166（胸腺激酶拮抗

23、剂）治疗后，18F-FLT PET显像示肿瘤摄取降低，表明肿瘤细胞DNA合成及增殖水平降低。922022/8/18SEG-1人食道腺癌肿瘤模型鼠经放化疗（紫杉醇+放疗）2天后，18F-FLT PET显像示肿瘤SUV值从8.79下降到3.72 ，表明肿瘤细胞增殖水平降低 。肿瘤增殖显像18F-FLT PETS. Apisarnthanarax. et al .Clin Cancer Res 2006;12: 4590SUV，standard uptake value932022/8/18U87MG肿瘤模型鼠DU145阴性对照鼠U87MG肿瘤模型鼠阻断显像 3U87MG +DU145 -肿瘤受体显

24、像18F-FP-RGD4肿瘤新生血管3受体显像Xiaoyuan Chen. et al. J Nucl Med 2007; 9: 1536942022/8/18Bombesin (BBN，蛙皮素) 是一种含有 14 个氨基酸的多肽。研究表明， BBN 识别的受体，尤其是胃泌素释放肽受体 (gastrin-releasing peptide receptor， GRPR) 肿瘤血管活性肠肽（VIP）受体952022/8/18【本章小结】分子影像学是在分子水平上进行无损伤的实时成像，了解体内特异性基因或蛋白质表达的部位、水平、分布及持续时间的新兴交叉学科；能直接或间接监控和记录分子或细胞事件的时间和空间分布。分子成像的原理是制备好的分子探针（Molecular probe） 引入活体组织细胞内，在后体内标记