多模态分子影像技术在肿瘤精准诊疗中的研究进展2026

多模态分子影像技术在肿瘤精准诊疗中的研究进展2026多模态分子影像融合PET、MRI、超声、光学等手段，以靶向探针在组织-细胞-亚细胞水平无创、实时、动态描绘肿瘤生理病理过程，实现跨尺度可视化，克服单一模态局限。其通过功能-结构互补，在肿瘤微环境（新生血管、酸度、乏氧、基质等）成像、早期诊断、转移灶检测、术中导航及疗效评估中显著提升灵敏度与特异度。同时，诊疗一体化平台可同步完成药物递送、光/免疫/铁死亡治疗与多模态监测，构建“成像-治疗-验证”闭环。人工智能驱动的跨设备数据融合与标准化质控有望降低成本、简化流程、促进临床转化。未来仍需研发高特异探针、完善规范培训、推进产学研医协同，使多模态分子影像在肿瘤精准诊疗中发挥更大价值。本文聚焦肿瘤分子影像中的多模态成像技术，就其在肿瘤精准诊疗等方面的应用现状进行深入探讨与分析。癌症是全球第二大死亡原因，严重威胁人类健康，是重大公共卫生问题

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。肿瘤精准诊疗通过精准、实时、动态的诊断及监测，可制定个体化治疗方案，显著改善肿瘤患者预后

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。分子影像技术利用特定探针，在组织、细胞及亚细胞水平可视化生理或病理过程，可无损、实时、动态反映活体分子水平变化，实现定性和定量分析

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。多模态成像将PET、MRI、超声、光学成像等两种或多种成像技术组合，整合各成像模式的优势，提升成像分辨率、对比度、灵敏度和特异度，实现跨尺度可视化监测，以克服单一模态的局限，进而可视化活体受试者的生物过程

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。作为医学影像领域的发展趋势，多模态分子影像结合先进成像技术与靶向特异性探针，可无创、实时观察活体生物事件，在肿瘤诊断、治疗决策和疗效评估中发挥重要作用，前景广阔

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。一、肿瘤微环境（tumormicroenvironment，TME）成像中的应用TME由肿瘤细胞、细胞外基质、脉管系统、免疫细胞及多种趋化因子和细胞因子构成，对肿瘤的发生、发展至关重要，是当前肿瘤诊断、治疗与预防领域的研究热点

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。1.肿瘤新生血管成像：肿瘤新生血管是TME的核心组成部分，与肿瘤生长、转移及预后密切相关。传统形态学检测难以实时精准反映肿瘤进展，导致诊疗滞后

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。多模态分子影像技术通过功能与结构成像的协同，为肿瘤新生血管成像提供了有效解决方案，也为其他TME成分成像奠定了技术基础。多功能二维纳米诊疗制剂结合光声与微循环成像技术，实现肿瘤新生血管的高分辨快速成像

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。此外，视网膜母细胞瘤细胞外泌体促进血管生成时，超声能量多普勒能检测到显著的血管密度上升

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。整合素αvβ

3是新生血管常用靶标，配体介导的超顺磁性分子探针可通过MRI显示活化血管内皮的αvβ

3表达；量子点标记的αvβ

3双模成像结合活体分子超光谱与多普勒光学相干断层成像系统，可实现血管生成的无创实时检测

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。这类技术通过纳米探针的多信号整合，达成微米级空间分辨和毫秒级时间分辨的时空互补，结合免疫组化荧光准确鉴别血管种类，为肿瘤血管生成模式分析提供新方法，通过监测不同时期血管变化量化早期血液供应模式，为良恶性肿瘤早期无创诊断提供新思路

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。2.肿瘤酸性微环境成像：TME的酸性特征对肿瘤进展与治疗效果影响显著，基于多模态协同思路，该领域通过纳米探针的环境响应性设计优化了信号互补效果

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。在MRI与荧光双模态中，酸碱度敏感的pH低插入肽修饰磁性纳米颗粒实现肿瘤特异性递送，MRI提供100μm空间分辨率的解剖定位，荧光成像验证分子靶向，二者协同克服单一模态局限，并通过弛豫率与荧光强度的相关性及流式细胞术验证（一致性85%），实现技术与定量分析突破

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。此外，pH与近红外荧光（near-infraredfluorescence，NIRF）双响应纳米对比剂可结合低pH靶向性与吲哚菁绿的光敏特性，荧光实时显示肿瘤边界，MRI提供亚毫米级分辨率，显著提高早期诊断灵敏度和特异度

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。一氧化氮与酸度双响应分子通过比例成像，在弱酸性环境中激活NIRF与光声信号

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。针对传统超声局限，自增强声阻抗差法利用酸性环境下颗粒自聚集（密度约为传统超声3倍）产生的声阻抗差异，实现毫秒级时间分辨率的实时监测；结合CT（0.5mm空间分辨率）的解剖定位，形成功能-结构协同。其纳米聚集结构压力耐受性（>200kPa）远超微泡对比剂，显著提升诊断效能

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。这些技术通过功能成像（超声pH响应、NIRF）与解剖成像（CT、MRI）的时空特性互补，实现对酸性TME的多维度精准检测。3.肿瘤乏氧微环境成像：乏氧是多数恶性实体瘤的典型特征，在多模态协同的基础上，通过探针的乏氧响应设计进一步优化时空分辨率的匹配度。PET是目前检测肿瘤缺氧较理想的单模态手段，临床常用的硝基咪唑类示踪剂（如

18F-氟异硝唑）通过选择性滞留于乏氧组织实现全身定量检测，但时空分辨率有限

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。近期研发出基于N-氧化物结构的缺氧响应分子探针，其N-氧化物结构在缺氧条件下会发生“受体-受体”型结构向“给体-受体”型转化，同时激活发射波长为1000~1700nm的近红外Ⅱ区（secondnear-infraredwindow，NIR-Ⅱ）荧光和光声信号，实现对乏氧肿瘤的原位点亮，达成NIR-Ⅱ荧光的快速动态监测与光声成像高分辨解剖信息的功能-结构协同，且双模态时空匹配度高（相关系数

r>0.95）；通过光声引导的NIR-Ⅱ定量分析发现，肿瘤核心区乏氧程度为周边的2.1倍，可为精准治疗提供指导

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。通过智能分子设计与多模态信号整合纳米载体工程，结合多模态影像的协同应用，不仅能高精度诊断乏氧TME，还为个体化治疗提供可视化指导，具有重要临床转化前景。4.肿瘤基质成像：肿瘤基质是肿瘤发生、耐药等过程的重要参与者，其成像研究通过靶向探针设计实现多模态信号互补的技术路径，进一步拓展了临床应用场景。成纤维细胞活化蛋白（fibroblastactivationprotein，FAP）具有肿瘤基质高表达（>80%），而正常组织几乎不表达的特性，是理想的诊断靶点。FAP抑制剂（FAPinhibitors，FAPI）探针在肿瘤分子影像领域展现出重要的应用前景。

68Ga-FAPIPET-CT在多种肿瘤中展现出卓越诊断效能，可提升低代谢肿瘤和转移灶检测灵敏度，被誉为“后氟代脱氧葡萄糖时代”里程碑。针对传统FAPI半衰期短、假阳性率高的局限，Zhao等

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研发的NOTA-FAPI-MB双模态探针整合PET和NIRF功能，

18F-NOTA-FAPI-MB将肿瘤滞留时间延长至24h（为

18F-氟脱氧葡萄糖的近3倍），摄取率提高40%，在肝癌诊疗中检出率达92%，术中导航精度达0.5mm级，优于吲哚菁绿，开创了术前诊断到术中导航一体化模式，为克服肿瘤异质性提供创新解决方案。二、肿瘤诊断中的应用多模态分子影像技术通过整合不同成像模态的优势，实现功能与结构信息的互补，显著提升肿瘤诊断效能，尤其在早期精准诊断、转移病灶检测和术中导航方面表现出色。1.早期精准诊断：多模态分子影像技术结合多组学和单细胞测序，通过评估肿瘤时空异质性，为早期精准诊断与临床决策提供有力支持。在胰腺癌筛查中，内镜超声对小实性病变（平均直径为9mm的胰腺导管腺癌、7mm的胰腺上皮内瘤变）更敏感，MRI擅长检测<10mm的小囊性病变，二者联合可最大化病变检出率

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。在肝硬化背景下<1cm小肝癌的诊断中，超声提供实时解剖定位，借助介孔含Fe

3O

4的葡萄糖氧化酶偶联GPC3肽靶向纳米颗粒实现光声功能显影，诊断准确度达85.7%，显著提升了早期检出率

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28］

。在前列腺癌早期诊断中，基于聚集诱导发光的双功能探针，通过光谱分离技术，整合前列腺抗原适配体与前列腺膜抗原靶向配体，最低检测浓度每毫升可达皮克级；结合超声定位，显著提升诊断准确度

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29］

。此外，光声成像与超声、MRI、PET-CT联合，凭借高对比度功能成像识别400μm微小转移灶，结合其他模态的高分辨解剖信息，可优化界定肿瘤边界与术中导航的精准性

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。2.转移病灶检测：通过强化探针靶向性与多信号整合，显著提升转移病灶的检出能力。骨肉瘤来源的外泌体经吲哚菁绿标记后，可同步实现PET成像的高灵敏度全身扫描与荧光高分辨率实时定位，PET能检出2~3mm的微小转移灶，荧光成像则可术中精准引导病灶切除

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31］

。Wang等

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利用MRI阴性对比剂氧化铁纳米粒子、氧化石墨烯对胰腺癌转移淋巴结成像，结合MRI高分辨率三维成像与染料示踪的术中实时可视化能力，可全面评估淋巴结转移范围，提升深部淋巴结定位精准度。针对乳腺癌转移，Ouyang等

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开发出可激活的纳米探针，通过聚集诱导发光特性，借助双模态荧光和多光谱光声断层扫描，可清晰检测扩散至淋巴结和肺部的转移，为转移病灶早期诊断与精准治疗提供重要支撑。3.术中导航：多模态分子影像技术通过优化时空分辨率匹配与术前术后衔接，推动了肿瘤手术的精准化。基于细胞外泌体的纳米探针整合PET、CT和近红外成像，实现“术前规划-术中引导”协同。PET-CT可在术前全面评估肿瘤位置及转移情况，NIRF成像则在术中清晰显示肿瘤边界，辅助精确定位并避免损伤周围组织，注射20h后达最佳靶向效果（肿瘤/肌肉比11.41），术中NIRF信号稳定，显著提升手术切除准确性

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。Wang等

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设计的钆基双特异性分子探针，结合MRI高空间分辨率与NIRF高灵敏度及实时性，实现信号互补与时空分辨率优化。MRI提供深部组织高分辨率三维结构信息，NIRF实现术中实时导航和动态监测；双靶向设计通过“多层次”靶向效应（肿瘤实质和血管）增强特异性，提高信噪比，确保肿瘤完整切除。在神经肿瘤领域，靶向胃泌素释放肽受体的PET与近红外双模态探针可实现术前定位与术中导航无缝衔接，术前PET预测术中的荧光信号灶准确率为100%，优于MRI增强（87.2%）；术中荧光引导取样提升灵敏度与特异度，精准识别恶性转化区域，为手术方案和预后评估提供分子依据

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36］

。PET与NIRF结合优势显著，PET可在术前识别肿瘤区域，NIRF则指导术中提供实时边界信息以辅助切除，术后残留荧光与肿瘤细胞残留高度吻合。双模态探针克服传统荧光穿透性不足与非特异性问题，提升术中可视化精准度，为深部肿瘤浸润识别提供新工具

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37］

。三、肿瘤诊疗一体化中的作用肿瘤诊疗一体化技术将诊断与治疗功能整合于单一平台，借助多模态影像协同实现精准治疗与实时监测，为解决肿瘤异质性带来的治疗挑战提供创新方案。1.肿瘤疗效评估：多模态分子影像在肿瘤疗效评估中展现出显著的优势互补，为精准判断治疗效果提供有力工具，构成诊疗一体化的核心监测环节。基质金属蛋白酶-14靶向肽探针结合了NIRF的高灵敏度与PET的定量分析能力，不仅提高胶质母细胞瘤边界检测的准确度，还能通过PET完成术前定位，构建“宏观定位-微观导航”协同模式，显著提升治疗方案的科学性与针对性

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38］

。三模态影像平台整合了荧光、光声成像与MRI的独特优势，全面表征从分子改变到代谢变化，再到结构异常的组织病变过程。在肿瘤酸性环境中，该平台能同步激活NIR-Ⅱ荧光、光声信号及T

1加权MRI，实现从分子水平到解剖结构的监测

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39］

。癌细胞膜伪装的核壳结构纳米催化剂借助氧化还原响应机制，使MRI弛豫率和光声信号在谷胱甘肽刺激下协同增强，其信号峰值出现在给药后4h，为治疗监测提供了精准的时间窗口

［

40,41］

。在靶向治疗评估中，靶向GPC1肽且负载化疗药的探针可通过MRI-NIRF可视化，其在肿瘤部位的累积与有效滞留情况显示，对胰腺癌的治疗效果显著优于对照组，实现了治疗效果的动态评估

［

42］

。这些创新设计充分发挥了多模态影像技术在时空分辨率互补的巨大潜力，为肿瘤精准诊疗提供了全新的技术支撑。2.亚细胞器结构评估：多模态分子影像技术为亚细胞器结构评估提供高精度工具，进一步深化微观层面的监测精度。通过缺氧激活的分子探针、表面仿生包裹M1型巨噬细胞膜伪装，实现线粒体/溶酶体靶向的NIR-Ⅱ-光声双模态成像，并借助线粒体环鸟苷酸-腺苷酸合成酶-干扰素基因刺激因子轴放大免疫治疗效应

［

43］

。通过整合GPC-3靶向、溶酶体酸触发与线粒体铁死亡放大策略，实现了NIR-Ⅱ荧光与光声信号对溶酶体药物释放过程的实时监测，并借助线粒体铁死亡有效增强光动力治疗效果，克服谷胱甘肽介导的耐药性。同时，通过MRI可追踪Fe³⁺分布，脱氧核糖核苷酸末端转移酶介导的缺口末端标记检测则用于确认线粒体途径的细胞凋亡。最终，在NIR-Ⅱ-光声-MRI三模态成像引导下，实现精准光动力与铁死亡的协同治疗，可精确描绘肿瘤并监测治疗反应

［

39］

。3.免疫治疗评估：免疫治疗需精准监测TME与免疫细胞动态，多模态分子影像技术为此提供了关键且互补的监测手段。在TME改善方面，放射性纳米氧发生器可改善乏氧TME，增强放疗效果，并通过MRI与光学多模态成像实时监测氧合水平变化，为联合治疗提供动态评估依据，使乏氧诱导因子-1α表达降低40%

［

44］

。在免疫细胞追踪中，

89Zr标记的硅基纳米探针能追踪靶向嵌合抗原受体CT细胞达7d，PET提供全身分布信息，NIRF精确定位肿瘤浸润细胞，标记率达82.6%

［

45］

。

89Zr-CD8免疫PET与生物发光成像联用，可定量评估CD8

+T细胞空间分布，动态监测肿瘤负荷变化，协同将早期疗效评估准确度提升30%

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46］

。在TME监测上，MRI-多光子显微镜联用系统借助铁氧化物纳米颗粒标记，可实现从MRI宏观到多光子微观的多尺度免疫细胞示踪，识别肿瘤相关巨噬细胞的空间异质性，动态观察其表型转化，为免疫检查点抑制剂疗效预测提供依据

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47］

。此外，有机硅纳米粒子的多功能纳米平台可整合药物递送、光治疗与免疫治疗及多模态成像功能，其通过高通透性和滞留效应实现药物在肿瘤部位有效富集，并借助光热诱导免疫原性细胞死亡，从而缓解免疫抑制性TME，协同增强免疫治疗效果。同时，该平台还能够结合MRI/NIRF和实时近红外热成像实现多模态活体疗效评估。这一策略为胰腺癌的精准免疫治疗及疗效评估提供了重要的研究方向

［

48］

。通过优化纳米载体设计，如聚乙二醇屏蔽和二硫键响应性释放，可提升靶向性并降低系统毒性，解决传统诊疗分离的局限

［

49］

。4.肿瘤铁死亡治疗监测：铁死亡治疗的特殊性要求实时监测铁离子动态与活性氧变化，多模态技术针对此形成专属监测策略。基于铁基纳米材料的MRI-光学双模态成像系统能够通过TME的酸性触发机制，实现治疗过程的动态可视化。例如，铁基金属有机框架纳米载体在酸性条件下释放Fe³⁺，不仅通过芬顿反应诱导肿瘤细胞铁死亡，MRI还能通过T

1/T

2弛豫时间的反向变化（T

1增强、T

2减弱）实时监测活性氧生成及药物释放。同时，结合“面积重构”算法对弛豫时间信号进行量化分析，显著提升影像的灵敏度，为治疗效果的精准评估提供可靠依据。这一策略不仅实现治疗与影像监测的协同优化，还通过MRI高组织穿透性与光学成像高灵敏度的互补，为铁死亡治疗提供有力支持

［

50］

。四、未来展望多模态分子影像技术凭借其在肿瘤早筛、诊断分期、疗效监测和预后评估中的独特优势，已成为医学影像领域的重要发展方向。该技术通过整合多种影像方法，从活体、组织和分子等不同尺度全面表征肿瘤的功能、代谢及解剖变化，为个体化医疗提供有力支持。然而，各单模态技术（如PET、CT、MRI）在临床应用中仍存在瓶颈，例如PET的空间分辨率有限、CT的辐射剂量较高、MRI的成像速度较慢等。多模态成像通过联合不同技术的优势，显著提升诊断的准确性和全面性，克服单一模态的局限性。随着人工智能技术的不断发展，不同设备生成的图像数据已能够用软件进行融合。为实现多模态数据的高效融合，需开发基于人工智能的融合算法