第三章　磁共振分子成像概論

第一節　磁共振成像技術

磁共振（magnetic resonance，MR）分子成像是利用磁共振成像（MR imaging，MRI）技術并借助磁共振造影劑的生化特征來直接或間接地顯示生物體內靶點的情況，其核心在于報告基因、分子探針系統的選用。MR分子成像的主要優點是具有高的空間分辨力和多序列成像，可達到或接近顯微鏡的分辨率。目前MRI能檢出的最小體素可達 0.1mm × 0.1mm × 0.1mm，并且能夠同時進行生理和分子標記物的分析，同時獲取生理和解剖信息。然而，與放射性核素成像技術相比較，MR分子成像的時間分辨率有限，且敏感性較低，往往需要采用放大技術以達到合適的敏感性。另外，嚙齒動物的MR分子成像通常是在小動物磁共振成像儀（micro-MRI）上進行，micro-MRI有更高的磁場和梯度場，其信噪比和空間分辨率顯著提高。

多模式成像是利用兩種或兩種以上醫學影像學模式對同一物體進行成像以獲得融合信息。各種成像技術都有各自的特點，為彌補單一成像方式的不足，多種成像技術相互融合已成為分子影像學成像發展的重要趨勢。

多模式融合技術分為軟件融合和硬件的融合。軟件融合是先用不同模式的系統分別采集圖像，然后通過圖像后處理軟件進行數據融合。目前已廣泛應用于臨床的一體機多模式分子成像的儀器為PET/CT和PET/MR。表3-1列出了各種分子成像設備在空間分辨率、深度穿透性、成像時間等性能方面的比較，可以使我們比較全面地了解各種成像設備在不同成像模式中的應用情況。

一、MRI的定義及發展簡史

（一）定義

磁共振成像又稱核磁共振成像（nuclear magnetic resonance imaging，NMRI），是利用原子核在強磁場內發生共振所產生的信號經過圖像重建的一種成像技術。

（二）發展簡史

MRI的物理學基礎是核磁共振現象。核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）是一種核物理現象。磁共振作為一種波譜學方法，是物理學提供給化學、生物、醫學和材料科學等領域的一種非常有效的研究手段。磁共振技術能被用于觀測小到原子分子的結構和動力學特征，大到活體動物甚至人體的宏觀行為。早在1946年，美國斯坦福大學的Bloch與哈佛大學的Purcell就報道了這種現象并應用于波譜學（spectroscopy）。直到20世紀60年代MRI才用于活體成像，并于20世紀70年代用于醫學成像。目前，MRI以其多參數成像可同時獲得解剖、功能信息等優點，已經成為醫學影像學中最為重要的成像方法之一，檢查范圍基本上覆蓋了全身各系統。

MRI技術之所以能在生物醫學領域有如此強的吸引力，主要是因為它有兩個特點。第一，MRI技術是一種無創性（noninvasive）的研究手段；第二，MRI技術的靈活多樣性和可變通性。

MRI的發展主要經歷了四個階段：20世紀70年代中到80年代初是第一階段，也是其發展成熟和自我完善的階段；從80年代初到90年代初是第二階段，它更多被用于觀測生理和病理條件下生物體在解剖結構以及形態學上的變化；MRI技術發展的第三階段是在20世紀90年代，90年代初MRI不再僅局限于觀測生物體的解剖結構，而是開始用于研究生物體的功能與活動機制；從90年代末開始，MRI技術的發展進入了第四階段，也就是磁共振分子成像（magnetic resonance molecular imaging）的階段。MRI分子影像學是運用影像學手段顯示組織水平、細胞和亞細胞水平的特定分子，反映活體狀態下分子水平變化，并對其生物學行為在影像方面進行定性和定量研究的科學。

二、MR分子成像的發展簡史

MR分子成像最早可以追溯到肝臟的靶向成像。超順磁性氧化鐵的成功應用對于MR分子成像有至關重要的作用。超順磁性氧化鐵是一種單核-吞噬細胞系統特異性的造影劑，引入體內后，吞噬細胞就會把順磁性納米顆粒作為異物而吞噬，因此可非選擇性地聚集于肝臟、脾臟、淋巴結等富含網狀內皮細胞的組織和器官內，即被動靶向。

1988年，哈佛大學的Ralph Weissleder教授最早描述了表面用右旋糖酐包裹的超順磁性氧化鐵顆粒（superparamagnetic iron oxide，SPIO），并應用SPIO標記去唾液酸糖蛋白（asialoglycoprotein，ASG）和阿拉伯半乳糖（AG），合成了ASF受體靶向性磁共振分子成像探針，利用ASF和AG中富含半乳糖基團可被ASG受體介導、專一識別的特性，實現了肝細胞的主動靶向性成像，開創了MR分子成像的先河。

1999年，Bulte等將單晶氧化鐵顆粒與鼠抗轉鐵蛋白受體的抗體OX-26共價連接，通過受體介導的細胞內化作用，將單晶氧化鐵成功的轉移到少突膠質細胞的定向祖細胞內，實現了非巨噬細胞的磁性標記，開始了MRI的細胞示蹤研究。

MR報告基因成像，使MR分子成像達到基因分子水平。2000年，Weissleder成功使用轉鐵蛋白受體基因作為磁共振報告基因，通過將報告基因轉染到膠質瘤細胞中，利用單晶氧化鐵顆粒實現了膠質瘤的成像。隨后，逐漸開發出許多新的磁共振報告基因系統，研究較多的報告基因可分為兩類：一類為細胞內酶成像，主要有β半乳糖苷酶與酪氨酸酶；另一類為細胞表面受體成像，主要有轉鐵蛋白。它們根據自身不同的理化特性通過不同的方式達到擴增目的，從而引起MRI信號的改變。在基因治療或基因表達研究中，為生命科學的發展提供了有力的工具。

目前，MR成像設備、技術和MRI分子探針合成技術發展十分迅速，MR分子成像有望成為繼放射性核素分子成像之后，最先進入臨床應用的分子成像技術。

第二節　磁共振分子成像設備

MR成像系統主要包括MRI信號產生和數據采集、處理與圖像顯示兩大部分。MRI信號的產生是來自大孔徑、具有三維空間編碼的MR波譜儀，而數據處理及圖像顯示部分，則與CT掃描裝置相似。

磁共振成像設備通常由主磁體、梯度線圈、脈沖線圈、計算機系統及其他輔助設備五部分構成（圖3-1）。

（一）主磁體

主磁體是MRI儀最基本的構件，是產生磁場的裝置。根據磁場產生的方式可將主磁體分為永磁型和電磁型。永磁型主磁體實際上就是大塊磁鐵，磁場持續存在，目前絕大多數低場強開放式MRI儀采用永磁型主磁體。電磁型主磁體是利用導線繞成的線圈，通電后即產生磁場，根據導線材料不同又可將電磁型主磁體分為常導磁體和超導磁體。常導磁體的線圈導線采用普通導電性材料，需要持續通電，目前已經逐漸淘汰；超導磁體的線圈導線采用超導材料制成，置于液氦的超低溫環境中，導線內的電阻抗幾乎消失，一旦通電后在無須繼續供電情況下導線內的電流一直存在，并產生穩定的磁場，目前中高場強的MRI儀均采用超導磁體。

在過去的20年中，臨床應用型MRI儀主磁體的場強已由0.2T以下提高到1.5T以上，1999年以來，3.0T的超高場強MRI儀通過FDA認證進入臨床應用階段。

高場強MRI儀的主磁場場強高，由此提高了質子的磁化率，增加圖像的信噪比；同時，可縮短MRI信號采集時間；另外，增加化學位移使磁共振頻譜（magnetic resonance spectroscopy，MRS）提高了對代謝產物的分辨力且更加容易實現脂肪飽和技術；最后，磁敏感效應增強，從而增加血氧飽和度依賴（blood oxygen level dependant，BOLD）效應，使腦功能成像的信號變化更為明顯。但是MRI儀場強增高帶來了設備生產成本增加、噪音增加、射頻特殊吸收率（specific absorption ratio，SAR）增高及各種偽影增加的問題。而高均勻度的場強有助于提高圖像信噪比，所以為保證主磁場均勻度，以往MRI儀多采用2m以上的長磁體，近幾年伴隨磁體技術的進步，各廠家都推出磁體長度為1.4～1.7m的高場強（1.5T）短磁體，使患者更為舒適，尤其適用于幽閉恐懼癥的患者。

隨著介入MRI的發展，開放式MRI儀也取得很大進步，其場強已從原來的0.2T左右上升到0.5T以上，目前開放式MRI儀的最高場強已達1.0T。圖像質量明顯提高，掃描速度更快，已經幾乎可以做到實時成像，使MRI“透視”成為現實。開放式MRI掃描儀與DSA的一體化設備使介入放射學邁進一個嶄新時代。

（二）梯度線圈

梯度線圈是MRI儀最重要的硬件之一，主要作用有：①進行MRI信號的空間定位編碼；②產生MR回波（梯度回波）；③施加彌散加權梯度場；④進行流動補償；⑤進行流動液體的流速相位編碼。梯度線圈由X、Y、Z軸三個線圈構成（在MR成像技術中，把主磁場方向定義為Z軸方向，與Z軸方向垂直的平面為XY平面）。梯度線圈是特殊繞制的線圈，以Z軸線圈為例，通電后線圈頭側部分產生的磁場與主磁場方向一致，因此磁場相互疊加，而線圈足側部分產生的磁場與主磁場方向相反，因此磁場相減，從而形成沿著主磁場長軸（或稱人體長軸），頭側高足側低的梯度場，梯度線圈的中心磁場強度保持不變。X、Y軸梯度場的產生機制與Z軸方向相同，只是方向不同而已。梯度線圈的主要性能指標包括梯度場強和切換率（slew rate）。

梯度線圈性能的提高對于MR超快速成像至關重要，可以說沒有梯度線圈的進步就不可能有超快速序列。SS-RARE、Turbo-GRE及EPI等超快速序列以及水分子彌散加權成像對梯度場的場強及切換率都有很高的要求，高梯度場及高切換率不僅可以縮短回波間隙加快信號采集速度，還有利于提高圖像的SNR，因而近幾年快速或超快速成像技術的發展可以說是直接得益于梯度線圈性能的改進。現代新型1.5T MRI儀的常規梯度線圈場強已達25mT/m以上，切換率達120mT/（m·s）以上。1.5T MRI儀最高配置的梯度線圈場強已達60mT/m，切換率超過200mT/（m·s）。

需要指出的是由于梯度磁場的劇烈變化會對人體造成一定的影響，特別是引起周圍神經刺激，因此梯度磁場場強和切換率不是越高越好，是有一定限制的。

（三）脈沖線圈

與MRI圖像信噪比密切相關的是接收線圈，接收線圈離檢查部位越近，所接收到的信號越強，線圈內體積越小，所接收到的噪聲越低，因而各廠家開發了多種適用于各檢查部位的專用表面線圈，如心臟線圈、肩關節線圈、直腸內線圈、脊柱線圈等。

近年來出現的表面相控陣線圈（phased array coils）是脈沖線圈技術的一大飛躍。一個相控陣線圈由多個子線圈單元（element）構成，同時需要有多個數據采集通道（channel）與之匹配。目前臨床上推出最新型的相控陣線圈的子單元和與之匹配的數據采集通道為8個以上。利用相控陣線圈可明顯提高MRI圖像的信噪比，有助于改善薄層掃描、高分辨掃描及低場機的圖像質量。利用相控陣線圈與平行采集技術相配合，可以進一步提高MRI的信號采集速度。

（四）計算機系統

計算機系統屬于MRI儀的大腦，控制著MRI儀的脈沖激發、信號采集、數據運算和圖像顯示等功能。

（五）其他輔助設備

除了上述重要硬件設備外，MRI儀還需要一些輔助設施方能完成患者的MRI檢查，例如：檢查床、液氦及水冷卻系統、空調、膠片處理系統等。

近年來，臨床PET和MRI一體化設備備受關注，PET/MR是將PET的分子成像功能與MRI的軟組織對比功能結合起來的一種新技術，是人類醫學影像的一大創舉。目前國際上研發的PET/MR歸納起來有三種系統：順序式掃描（也稱為PET + MR、異機）、嵌入式設計（也稱為PET/MR hybrid、同機）和一體化設計（也稱為PET/MR、一體機）。

1.異機的優點是最大限度減少對單個設備的調整，就能獲得集成的掃描圖像。但這種設計最大的缺點是兩種設備不能實現真正的同步掃描，該模式需增加掃描時間，這成為了臨床的主要問題，此外，由于患者的生理活動與在不同設備之間轉運導致的圖像配準誤差及圖像校準面臨很大的挑戰。

2.PET/MR hybrid（也稱為同機）模式是一種特別誘人的模式，該模式樣機在歐洲推出，相關論文發表在2008年放射學雜志。該模式理念是研發可移除的PET探測器環，嵌入常規MRI設備中工作。這種模式能夠實現PET和MRI同時采集，降低總采集時間；同時，由于采用二極管代替光電倍增管，磁場干擾的問題也得以解決。但由于其掃描孔徑小的構造限制，該模式僅適用于小動物、人類顱腦及四肢的研究；并且掃描孔徑也限制了PET系統的性能，徑向視野限制了晶體長度和探測器的敏感性，可以通過縮小探測器環提高敏感性，但會增加散射分數，緊湊結構設計使熱控制更加復雜。

3.PET/MR（一體機）模式是更加現實和可行的模式。該模式原理與PET/CT類似。其優點是實現了類似PET/CT的PET/MR掃描，又克服了磁場和衰減校正的問題。但其所面臨的挑戰與同機類似。與標準幾何結構相比，直徑小的探測器環可以提高敏感性，但是增加隨機和散射計數，不過在某種程度上，通過減小探測器的能量接受窗，可以相互抵消這種效應。

總之，盡管PET/MR組合技術面臨很多困難與挑戰，但這將是未來幾年研究的主要焦點。我們相信不久的將來PET衰減校正、散射補償以及截斷偽影校正、MRI勻場和渦電流補償都會隨著新技術的發展而得到解決。

第三節　小動物磁共振成像儀

隨著基因工程研究的深入，出現了許多轉基因動物及基因敲除動物，以小鼠最多，數十克的鼠和數十千克的人對成像技術的要求顯然是不同的。此外，分子影像學除了有基因成像的要求外，還有一些表型成像的需要。這些都對影像技術提出了更高的要求。小動物磁共振成像儀（micro-MRI）的空間分辨率比臨床型MRI儀的空間分辨率大數十倍，在轉基因動物等的實驗研究中發揮了巨大的作用。它專用于小動物成像，常利用小型高場及超高場磁共振成像，也是目前許多發達國家磁共振研究的重要領域。

一、小動物磁共振成像儀的優勢

小動物磁共振成像（micro-MRI）已成為顯示小動物在體生物學過程最好的成像方法之一，這項技術的優勢在于：具有高分辨率，已達到50μm級，可同時獲得解剖及生理信息。但是MRI也有其弱點，它的敏感性較低（微克分子水平），與核醫學成像技術的納克分子水平相比，低幾個數量級。圖3-2為多種成像設備在獲得解剖與生理信息的效果比較，從圖中可以看出小動物磁共振成像系統相比其他成像設備更能全面獲得生物體的解剖和生理信息。

相對于傳統的技術如利用光學顯微鏡的組織學技術，MRI圖像可被作為3D數據集獲得，這個數據在較短的時間內就可以對一個標本進行精確的描述。

最為重要的是，MRI圖像可以在活體內獲得，這就可以直接通過反復的成像觀察動態變化，而不是根據不同的離體組織標本和不同時間的切片進行推斷。多種對比機制用于MRI，不僅能對研究中的組織結構，還能對組織化學變化進行檢查。

二、小動物磁共振成像儀的成像技術

與臨床應用型MRI機比較，小動物磁共振成像系統的掃描孔徑小、磁場強度高，梯度場強高，發射線圈敏感，脈沖序列更有效，三維成像設計更優越。這樣大大提高了空間分辨率及信噪比。但由于編碼容積數據范圍較大，需增加累加次數以提高信噪比，故檢查時間較長。

小動物磁共振成像能夠完成具有最新技術水平的磁共振成像和波譜實驗，其中包括像回聲平面（EPI）這樣的超快速成像、動脈自旋標記成像（ASL）、單一像素或化學位移成像等實驗。多通道接收系統應可與相控陣線圈聯用，進行并行成像。

對于小動物磁共振成像實驗，相同的規定指南或者“標準”是不存在的。我們也要說明的是由于磁場較高，梯度較強，相對應的磁敏感偽影和運動偽影的消除就變得很困難，有時甚至無法克服。

三、小動物磁共振成像儀的應用

在過去的20年中，磁共振成像（MRI）和磁共振波譜學（MRS）主要應用領域包括神經科學、心血管疾病、腫瘤學和代謝相關疾病的研究。在很多情況下，MRI/MRS已經被當作神經科學研究的“金標準”。分子生物學和基因組學研究的快速發展也導致了小動物磁共振成像和波譜的更廣泛應用。

小動物磁共振成像分3個層次：①實驗小動物活體器官結構水平成像；②組織學水平成像；③細胞水平成像。不同的類型的磁共振設備其功能可能有些差異。

磁共振波譜學（MRS）利用磁共振現象和化學位移作用，進行特定原子核及化合物的定量分析，可檢測出許多與生化代謝有關的化合物，而用化學位移成像的方法就可以得到這些生物分子在體內的分布，并用它來反映生物體內的某些特定的分子過程。其另一特點就是可以用不同核的磁共振譜來檢測生物體內不同的代謝物，反映不同的分子過程。由于小動物磁共振成像儀往往具有超高的磁場強度，對譜線的分辨能力就更加顯著。目前用于磁共振波譜測定的原子核有氫、磷、碳、氟、氮、鈉和鉀等原子核，但應用于臨床研究的主要有氫和磷。

MR成像技術能夠從微觀到宏觀系統地探測活體生物體的結構和功能。而超高場強小動物專用的微型磁共振成像系統將從傳統的非特異性物理、生理特性成像深入到特異性細胞分子水平成像，疾病評價指標也將從傳統MRI的大小形態、解剖部位、信號強度等深入到酶、受體、功能性指標等，從而使對疾病的評價更完善，更具特異性。

第四節　磁共振分子成像探針

隨著MRI技術的不斷發展，MRI造影劑的應用也越來越廣泛。1946年，Bloch就使用Fe（NO₃）₃縮短質子的弛豫時間。這種能引起質子弛豫時間縮短的離子或小分子稱為“順磁性物質（paramagnetic substance）”。用于MRI檢查的順磁性物質被稱為順磁性造影劑（paramagnetic contrast media）。順磁性物質于1976年用于動物實驗，以后逐漸應用于臨床。

MRI造影劑的分類方法有許多種，按照物質的磁化特性可分為順磁性造影劑和超順磁性造影劑；按照造影劑作用原理可分為陽性和陰性兩類；按造影劑的藥物代謝動力學特點可分為細胞外、細胞內及血池性造影劑；按造影劑是否帶電荷可分為離子型和非離子型兩類；按照造影劑所含金屬元素的種類，可分為含Gd（Ⅲ）（釓）造影劑、含鐵造影劑、含錳造影劑及含鏑造影劑等；根據其分布范圍或應用分為胃腸造影劑、肝臟造影劑、淋巴系統和單核-吞噬細胞系統造影劑、血管成像造影劑等；根據作用機制分為T₁造影劑和T₂造影劑；根據構成造影劑的材料分為磁性造影劑和擴散型造影劑。

由于MRI的敏感性相對較低，如何同時做到保證特異性和信號放大是磁共振分子探針研究的核心問題。除此之外，分子探針在合成過程中還要滿足以下幾方面要求：第一，分子探針必須具有生物兼容性（bio-compatibility）；第二，分子探針必須有特異性（specificity）；第三，分子探針的設計必須考慮到它在生物體內的運輸過程；第四，分子探針的設計必須考慮其在生物體內的半衰期。

近20年來，各種新技術、新觀點的引入大大拓展了MRI分子探針的概念和研究領域。早期人們使用順磁性造影劑（主要是釓）和超順磁性造影劑（SPIO等）。而化學交換飽和轉移（chemical exchange saturation transfer，CEST）技術的引入使得增加了分子探針候選物質的數量，更通過選擇性飽和同時獲得多個頻譜的MRI信號或者通過控制外加脈沖與否達到實時控制對比的目的。超極化（hyperpolarized）所使用的原理正是飽和現象的反面。

上述四類分子探針是結構保持不變的，而近些年來可激活探針越來越引起人們的興趣，這種可激活探針能夠對周圍環境產生反應，通過改變分子結構來達到差別對比。按作用原理來說，前面所述的四類結構不變的分子探針都可以做成可激活探針。人們習慣上按照這些分子探針成像的激活因素將他們分類為：pH、PO₂、溫度、金屬離子、蛋白質或酶、核酸、代謝產物等。

隨著探針合成技術和納米技術的不斷進展，目前已經合成了很多種磁共振成像造影劑和分子成像探針。本節總結了多種MRI信號放大策略。

一、環境依賴型可激活探針

（一）pH值改變激活的探針

由于糖酵解活躍，腫瘤組織中的pH值會低于正常組織。正常組織pH值范圍在7.4左右，而腫瘤局部pH值在6.8～6.9。這種差異雖然很小，但通過相應的功能化造影劑還是可以檢測到這種差異所致的弛豫時間的改變。一種常用的方法是基于連接到造影劑骨架結構上的某些有機分子所具有的酸/堿離子化能力，根據這些分子的質子化狀態，決定其是否可作為順磁性中心的螯合臂。增加/去除螯合臂會引起水分子配位數（q）的改變進而產生pH值變化介導的弛豫（圖3-3）。Parker D.和Aime S.首先提出了這一設想，基本原理是：造影劑有一個經Gd-DOTA修飾的骨架結構，上面荷載一個可被取代的苯環，該苯環通過磺酰胺鏈連接于骨架結構上，作為酸/堿傳感基團。可通過向磺酰胺鍵的對位苯環基團增加不同的修飾基團來調節磺酰胺造影劑的質子化/去質子化（圖3-4）。研究表明利用該造影劑，通過測量縱向弛豫時間可監測pH值的變化。后來有學者對該探針的基礎結構進行了進一步修飾，降低了由于Gd釋放引起組織毒性的危險，同時避免了外部陰離子結合到順磁性中心，而后者會導致內層水分子增加并進一步引起弛豫減低。總之，該方法合成的復合物，其弛豫隨整體pH的改變而變化。當把該復合物放在與生理條件相近的溶液中進行測量時，發現在pH = 6.8和pH = 7.4時可以得到不同的弛豫數值，驗證了這種方法的可行性。

2004年，Woods等人做了相近的研究（圖3-4），合成的造影劑含有一個pH敏感性側鏈，該側鏈包含一個硝基苯基團，該基團的質子化/去質子化是產生弛豫改變的原動力。另有學者在1999年合成了一種經DOTA螯合的Gd（Ⅲ）復合物，該造影劑對pH值變化有高度敏感性。當pH值從4增加到6時，上述pH值敏感的造影劑的弛豫也隨之增加，當pH值在6～8.5范圍內時，其弛豫減低，而pH值在8.5～10.5時，其弛豫保持不變。這種反常的pH值依賴性弛豫現象，原因可歸結為配體存在不協調的磷酸鹽化合物基團。在pH值為6～9時，這些可電離基團的質子通過高效的氫鍵網絡，催化了結合水和造影劑之間的質子交換。在更低pH值時，進一步的質子化會使該氫鍵網絡斷裂。

在另一項實驗中，依據水分子在順磁性中心周圍第二級配位層上分布情況的改變，可制備出另一種pH值依賴的造影劑。在DOTA上連接羥基氮苯基形成螯合物，該螯合物具有pH值敏感性（圖3-5）。通過造影劑某些組分的質子化作用，可以得到多種不同的弛豫性能。

Aime等人采用了完全不同的方法制備一種pH值敏感性多聚造影劑：將包含30個Gd的螯合物連接到含有114個鳥氨酸殘基的多聚體上，在pH值低于4時，弛豫值為23/（mmol/L·s）。當pH值提高到8時，弛豫值增加到了32/（mmol/L·s）。弛豫能力的不同是由于鳥氨酸的質子影響了造影劑的旋轉時間而引起的。可以假設，在高質子化水平（低pH）時，分子間關聯程度低，因此，系統可以保持較高的活動性；當pH值升高時，分子間的關聯增加，降低了造影劑的自由度，進而導致弛豫增加。

包含長烷基鏈的造影劑具有與磷脂類似的結構，該類造影劑聚集形成了一種大分子物質，該物質可由酸性調節，具有pH值敏感性。基于pH值的改變，個體分子的親油性發生改變，形成了膠體態凝聚物，其弛豫隨之發生了明顯的改變，從pH值為6時的7.9/（mmol/L·s）到pH值為8時的19.1/（mmol/L·s）。

Mikawa等在2000年報道了一種對微環境敏感的多離子型造影劑，該造影劑由兩個高分子聚合物組成。當pH值從7.0降低到5.0時，該造影劑的弛豫增加了50%，相關機制還不清楚。而且這種造影劑在荷瘤鼠上能檢測到，在正常小鼠身上卻檢測不到。

2001年，Lokling通過將Gd封裝在脂質體內，得到納米級的pH值敏感性造影劑。在高pH值時，造影劑的弛豫降低，原因可能是因為在脂質體內缺乏水分子。降低pH值，脂質體的結構發生改變，造影劑溢出進入到介質中，造成弛豫增加了6倍。進一步研究表明上述脂質體在生理性pH值環境中不穩定。但是，造影劑在生理性pH值下的溢出問題，可以通過增加特定的陽離子（鈣或鎂）來加強脂質體的穩定性的方法來解決。

（二）小分子離子依賴性探針（離子選擇性造影劑）

許多生理信號改變有二價陽離子的參與，如Ca²⁺、Zn²⁺或Fe²⁺，通過MRI檢查可以成功的檢測到是否有陽離子的存在。Ca²⁺是一種細胞內的第二信使，參與許多重要的信號傳導過程。鈣敏感的磁共振造影劑就是基于我們熟悉的鈣熒光傳感器設計出來的。

鈣敏感分子的結構包括兩種功能單位：特異性鈣螯合單位和結合兩個Gd-DOTA衍生物的鈣螯合單位（圖3-6）。當存在Ca²⁺時，由于鈣螯合部位的高結合系數很高，鈣陽離子發生配位亞胺基羧化；當沒有Ca²⁺時，相同的羧化物重新排列，通過DOTA單位進一步穩定Gd離子的螯合。這樣，鈣介導的重組產生的q值是1或0，所以，弛豫值隨著Ca²⁺濃度的不同而不同。

2002年Hanaoka等人進行了類似的研究，開發了Zn²⁺敏感型MR造影劑（圖3-7），為了產生陽離子的敏感性，應用Zn²⁺結合單位對Gd-DOTA的兩個羧基部位末端進行了功能性修飾。Zn²⁺螯合單位有一個亞胺羧化物臂，可以螯合Zn²⁺離子，或是通過DTPA基本骨架結構介導Gd的螯合。如前所述，羧化物的重組導致q值的變化，因此，弛豫時間也隨之改變。

利用Fe³⁺可結合三個雙基配位配體，形成一個八面體復合物的能力，可以通過以下兩種不同的機制來設計Fe敏感性造影劑：

（1）將順磁性物質螯合到水楊酸或二氮雜菲單位上，使三個彼此獨立的造影劑單位聚合成一個大的翻轉率低的超分子物質（圖3-8）。

（2）通過氧肟酸鹽組分將三個順磁性中心連接在一起的形成一個大分子（圖3-9）。

鐵經過氧肟酸鹽螯合，整體變得很堅硬，因此限制了釓中心的自由旋轉，增加了弛豫時間，而造影劑的尺寸沒有明顯變化。

最近，有人利用相似的方法開發出了包含兩個或六個釓中心的超分子系統。前者基于一個三聯吡啶結構，該結構帶有與DTPA類似的“釓螯合單位”。通過三聯吡啶氮可螯合不同的金屬，在同一聚合物中形成了含有兩個不同的釓中心的包裹體。后者利用二吡啶將2個“釓螯合單位”連接起來，二吡啶與不同金屬配位，合成了含有六個釓中心的造影劑。

（三）其他造影劑

除了上述探針之外，人們還開發出許多種其他類型的環境敏感性可激活探針，作為磁共振的信號放大策略，其中包括溫度敏感性探針和血氧濃度敏感性探針。

（1）溫度敏感性探針：

在進行腫瘤高溫治療時需要持續監測腫瘤內部溫度的變化情況。

（2）血氧濃度敏感性探針：

血氧濃度敏感性探針的設計是基于去氧血紅蛋白的順磁性及其在fMRI中的廣泛應用基礎之上的。

二、酶敏感性探針

很多疾病的發生發展過程中都伴隨著酶活性的變化，因此酶活性變化是疾病的重要標志之一。酶具有形成或斷裂某些化學鍵的能力，利用酶的這個特性，研究人員開發出了多種可被酶激活的造影劑（酶敏感性探針）。

最初的報道見于1997年，Moats等合成了一種β-半乳糖苷酶敏感的順磁性酶作用底物。

2000年，Louie等人開發出一種Gd-DONA衍生物作為酶敏感性探針。他們通過醚鍵將吡喃半乳糖組分結合到螯合物上，使造影劑具有疏水性，這里的吡喃半乳糖組分的作用就是阻止水分進入到釓順磁性中心。在靜息態，水分子直接連接到順磁性中心的數值（q）是0.7；在激活態，即半乳糖苷酶存在時，酶的催化作用使連接于半乳糖和螯合單位之間的醚鍵斷裂，q值升高到1.2。因此，酶的催化作用增加了釓造影劑與周圍水分子的接觸頻率（圖3-10）。q值從0.7升高到1.2則使弛豫增加了40%。在酶裂解作用的功能基團臂上引入甲基，可進一步提高造影劑的疏水性，在酶激活后，弛豫可增加200%。借助于這種明顯的弛豫變化和這種變化所引起的MRI信號強度的改變，研究人員在X laevis胚胎中成功地實現了lacZ基因成像。盡管在實驗中，研究人員需要通過顯微注射的方法把造影劑引入到胚胎組織中，以降低細胞攝取的危險，但是這項研究依然是值得肯定的。

Duimstra等報道了一種類似的β-葡糖醛酸糖苷酶敏感性探針。方法是通過醚鍵將β-葡糖醛酸結合到探針的螯合臂上，該螯合臂具有自殺性級聯反應活性，β-葡糖醛酸的作用是封閉螯合臂，阻止自殺性級聯反應的發生。酶的催化作用將通過降低激活態的探針的q值（低于靜息態），引起弛豫的減低。機制如下：β-葡萄糖醛酸的醚鍵斷裂激活了自殺性級聯反應，使螯合臂恢復到自由態，自由態的螯合臂為該探針提供了一個配位臂，配位數增加引起q值減低。

另外，通過不同的方法增加弛豫時間，還可以獲得其他類型的水解酶敏感性探針。如前所述，在酶的催化作用下，探針內某些化學鍵會發生裂解，化學鍵的斷裂進一步引起探針q值的改變，因此可利用酶來增加造影劑與人血清白蛋白（human serum albumin，HSA）的結合能力。由于疏水基團可以與HAS緊密結合，研究人員將經修飾的1，1-二羥基聯苯結合到Gd-DTPA的衍生物上。聯苯基團有多個疏水性羥基基團，其中一個羥基通過乙醚鍵與金屬螯合基團（Gd-DTPA衍生物）結合，其他的羥基則被親水性的磷酸酯封閉。在堿性磷酸酶的作用下，磷酸酯水解，解除了對羥基的封閉作用，使聯苯上眾多疏水性羥基暴露出來，從而增加了探針對HSA的親和力。

還有人用更簡單的辦法合成了另一種與HSA有很高親和力的造影劑。他們用一個含有HSA結合序列的短肽取代了聯苯基團，并將另一個序列為賴氨酸-賴氨酸-賴氨酸的短鏈結合到該短肽上作為其末端，由于賴氨酸短鏈帶有正電荷，因此造影劑與HAS的結合能力很低。在纖維蛋白溶解抑制劑（可被凝血酶激活）的作用下，賴氨酸短鏈裂解，正電荷被去除，造影劑與HSA的結合能力明顯提高了。聯苯基團修飾的造影劑的弛豫時間增加了2.2倍，而5-二碘酪氨酸衍生物修飾的造影劑的弛豫時間則增加到了2.7倍。

Aime等在2002年合成了一種可被巨噬細胞內酯酶特異性激活的探針，并有望用于成像炎癥反應。他們通過酯鏈把兩個長烷基鏈結合于Gd-DTPA的兩端，烷基鏈使Gd-DTPA不溶于水，因此沒有活性，也沒有造影劑的功能。當造影劑被巨噬細胞內化之后，在巨噬細胞內的酯酶作用下，酯鏈斷裂，兩個長烷基鏈脫落，Gd-DTPA恢復了水溶性和活性。這種造影劑有可能對巨噬細胞參與的炎癥反應進行成像。

上述酶敏感性探針有一個共同點，就是基于某些酶具有裂解某些化學鍵的功能，但是，以上方法并不適用于水解酶的研究。近來，研究人員基于某些酶可以催化形成某些化學鍵的功能開發出另一類型的酶敏感性探針（聚合酶或氧化還原酶）這種探針是基于在酶的催化作用下，造影劑分子發生寡聚的基礎之上的。

2004年Chen等合成了順磁性的釓噴酸葡胺（GdDOT）和5-羥色胺復合物。5-羥色胺是一種自然神經遞質，是髓過氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）的作用底物，可被MPO氧化。Gd-DOT和5-羥色胺復合物在MPO的氧化作用下可發生寡聚，這種寡聚物具有造影劑的活性，可供磁共振檢測。MPO屬于過氧化物酶家族。在動脈粥樣硬化病變中，由巨噬細胞和中性粒細胞分泌的MPO與粥樣斑塊的破裂有密切的相關性。MPO定位于動脈粥樣硬化斑塊，其產物可通過上調低密度脂蛋白，使高密度脂蛋白失活、激活MMP、誘導內皮細胞凋亡和促使氧化劑NO失活等途徑，促進動脈粥樣硬化病變的發生和發展。Chen等利用釓噴酸葡胺（GdDOT）和5-羥色胺復合物作為MPO激活的探針，成功的對動脈粥樣硬化進行了分子成像。

三、生物素/鏈霉親和素-生物素放大系統

生物素（biotin，Bt）-親和素（avidin，Av）/鏈霉親和素（streptavidin，SA）技術（BA技術）是近幾年來發展很迅速的一門生物學技術。Bt-Av系統由Bayer于20世紀70年代中期首先應用于酶聯免疫技術和免疫組化染色等免疫學領域，之后Bt-Av系統有了快速發展。

BA技術原理基于生物素與親和素的以下特征：①兩者具有高度特異的親和性；②橋聯作用；③多級放大作用。BA技術的這些特性，使其在多個領域廣泛應用。在分子影像學上，生物素-親和素系統可應用于放免成像、脂質體放射性核素成像、MRI大分子造影劑成像等，尤其可用于分子成像信號放大的過程。

盡管親和素-生物素反應廣泛應用于靶向性成像中，但也有一定的局限性。第一，此種制備方法步驟多，比較耗時，工作量大；第二，同源性生物素可與生物素標記的配體競爭親和素結合點，因此需加大親和素的量才能消除此種影響。此外，親和素這種陽離子大分子物質，還可聚集于腎小球基底膜內的陰離子區并與之快速結合。可見，此種親和素-生物素結合技術理想上來說適合于體外實驗，但在活體研究上有一定的局限性。因此，很有必要尋找一種簡單化的、單步驟共價結合的配體系統。

第五節　磁共振報告基因成像

磁共振報告基因通過改變磁共振對比度進行成像。目前采用的實驗方法包括：①通過限制性內切酶消化去除阻礙水（質子）交換的某些功能基團，這類報告基因有β-半乳糖苷酶報告基因系統等；②使某種細胞表面膜受體過表達并與特殊磁共振造影劑結合，如通過特殊細胞膜受體與超順磁性納米鐵顆粒（SPIO）結合成像；③在細胞內導入與鐵代謝相關的基因使其蛋白高表達，這類是目前研究較多的報告基因，包括酪氨酸酶（tyrosinase）、轉鐵蛋白受體（transferrin receptor）和鐵蛋白（ferritin）基因等。磁共振報告基因的研究已經有近20年歷史，但該領域的研究仍然處于早期階段，而能真正進入臨床應用的尚無。這主要是由于目前使用的磁共振報告基因本身具有一定缺陷，如它的檢測敏感性低，有的報告基因作用需要提供額外的反應底物，有些報告基因對于信號改變反應遲緩等。盡管如此，磁共振報告基因在細胞示蹤、評價基因治療和干細胞治療療效、觀察蛋白質與蛋白質相互作用以及觀察特殊代謝活性等方面具有非常重要的作用。另外，磁共振報告基因在成像的同時，還可以得到組織解剖和功能方面的信息，新型磁共振報告基因的研究已經成為一個非常活躍、發展迅速的科學研究領域（表3-2）。

一、酪氨酸激酶報告基因系統

黑色素可由各種細胞產生，其合成受酪氨酸酶（tyrosinase，TYE）基因調控，運用一種包含人TYE基因的表達載體，通過其對黑色素生成的誘導而使黑色素作為MR成像的一種檢測基因表達的內源性造影劑，可以無創地直接顯示基因表達。

人體黑色［Mel（b）］和淺棕色［Mel（1）］是黑色素細胞產生兩種黑色素，即真黑素和褪黑素，其生成發生在特殊的細胞器，稱黑色素小體。黑色素的生物合成是一個由TYE催化體內酪氨酸（tyrosine，Tyr）羥化而啟動的一系列生化反應過程。

TYE報告基因系統是以TYE基因作為報告基因，通過分子生物學方法導入細胞內。TYE基因的表達增加會產生大量TYE，后者催化合成大量黑色素，這時黑色素螯合的金屬離子增加，通過MR成像可活體檢測與TYE基因相連的目的基因的表達情況。也可以通過合成的黑色素進行MR成像，分析黑色素螯合金屬的能力和MRI弛豫率的關系，進一步對疾病模型進行定量研究。研究表明，溶液的MRI弛豫率的形成來自兩個方面：相對強的“內部空間”弛豫率及相對弱的“外部空間”弛豫率。Atlas和Premkumar分別通過動物實驗和臨床研究及組織病理對照進一步證實，惡性黑色素瘤在MRI上表現為弛豫時間的增加，T₁值縮短及STIR序列中的低信號區與黑色素含量的增加相關，而與鐵含量增加、具電子順磁性的金屬陽離子、腫瘤壞死的量和范圍、腫瘤細胞類型及組織水含量無關。

體外報告基因誘導人類細胞時，可監視轉基因細胞在體內的壽命或確定融合蛋白的表達、表達的水平及其分布情況，檢測表達的持續時間及轉染的狀況。當TYE基因誘導黑色素產生后，MRI可用來檢測黑色素細胞對順磁性金屬螯合而造成的T₁值縮短，由于轉染細胞的信號強度與TYE報告基因的表達直接相關，從而高信號區可以反映報告基因的表達。新近的研究中將含TYE基因完全cDNA的pcD-NA3Tyr質粒轉染到HepG2細胞，并在其中表達生成黑色素，亦造成MRI中T₁值的縮短，且T₁WI信號強度的變化與轉染質粒量成正相關，進一步顯示TYE基因是一種較理想的評價基因表達的MRI報告基因。

目前的研究表明，MRI可以顯示TYE基因轉染后的基因表達，TYE作為MRI的報告基因是可行的，但是MRI評價靶器官基因的轉染仍需進一步的探討。通過MRI檢測合成的黑色素的方法有其優越性，一是MRI圖像的清晰度較SPECT和PET高，有可能于動物或人體上獲得清晰的解剖結構圖像；二是黑色素在MR成像上的特點與大多數組織不同，在T₁WI表現為高信號，適用的范圍很大。但此報告基因系統仍有需要完善。第三，證據顯示黑色素在細胞質體達到一定的濃度后具有細胞毒性，因而需要構建嵌合體TYE蛋白而且定位于細胞膜外，形成細胞外黑色素的增加而降低細胞毒性。總之，確定新合成的黑色素確切的細胞內的位置（細胞溶質或溶酶體）及其細胞毒性，以及對基因治療的影響仍需進行更多的定量研究，這些問題的解決仍需分子生物學與醫學影像技術的不斷發展。

二、β-半乳糖苷酶報告基因系統

β-半乳糖苷酶作為報告基因在基礎研究中已得到廣泛的應用，例如，以β-半乳糖苷酶的產生作為顏色篩選標記的載體，進行基因表達、藥物篩選的檢測，簡化了篩選程序，提高了敏感性。首先構建一種載體（這類載體系統包括M13噬菌體、pUC質粒系統等），載體中含有抗生素抗性基因（如：Ampr基因），而外源片段上不帶該基因，故轉化受體菌后只有帶有抗性基因陽性表達的轉化子才能在含有Amp的LB平板上存活下來；而只帶有自身環化的外源片段的轉化子則不能存活。此為初步的抗性篩選。

載體上帶有β-半乳糖苷酶基因（lacZ）的調控序列和β-半乳糖苷酶N端146個氨基酸的編碼序列。這個編碼區中插入了一個多克隆位點，但并沒有破壞lacZ的閱讀框架，不影響其正常功能。受體菌株帶有β-半乳糖苷酶C端部分序列的編碼信息。在各自獨立的情況下，載體和受體菌編碼的β-半乳糖苷酶的片段都沒有酶活性。但在載體和受體菌融為一體時可形成具有酶活性的蛋白質。這種lacZ基因上缺失近操縱基因區段的突變體與帶有完整的近操縱基因區段的β-半乳糖苷酸陰性突變體之間實現互補的現象叫α-互補。由α-互補產生的Lac +細菌較易識別，它在生色底物X-gal（5-溴-4氯-3-吲哚-β-D-半乳糖苷）存在下被IPTG（異丙基硫代-β-D-半乳糖苷）誘導形成藍色菌落。當外源片段插入到載體質粒的多克隆位點上后會導致讀碼框架改變，表達蛋白失活，產生的氨基酸片段失去α-互補能力，因此在同樣條件下含重組質粒的轉化子在生色誘導培養基上只能形成白色菌落。在麥康凱培養基上，α-互補產生的Lac +細菌由于含β-半乳糖苷酶，能分解培養基中的乳糖，產生乳酸，使pH下降，因而產生紅色菌落，而當外源片段插入后，失去α-互補能力，因而不產生β-半乳糖苷酶，無法分解培養基中的乳糖，菌落呈白色。由此可將重組質粒與自身環化的載體DNA分開，此為α-互補現象篩選。

β-半乳糖苷酶報告基因系統成像原理：以lacZ作為報告基因，通過基因工程方法與目的基因相連并導入細胞內，表達后引起β-半乳糖苷酶的增加，當靶細胞中存在較高濃度的EgadMe分子探針，β-半乳糖苷酶的水解作用會引起游離釓等順磁性螯合物的增加，引起弛豫時間的改變而產生了MRI信號，由此也反映了目的基因的表達情況。

三、轉鐵蛋白受體報告基因系統

（一）轉鐵蛋白受體的結構、分布和功能

轉鐵蛋白受體（transferrin receptor，TfR）是一種位于細胞膜的跨膜糖蛋白，80%位于細胞內膜性結構上，20%位于細胞膜上。TfR的主要功能是實現Fe²⁺自細胞外向細胞內的轉運。

應用轉鐵蛋白受體基因作為報告基因，用基因工程方法轉導入靶細胞，由于轉鐵蛋白受體基因表達引起細胞上轉鐵蛋白受體增多，通過引入相應探針，可以監測靶細胞及目的基因的表達情況。

（二）TfR報告基因的報告探針合成

1.Tf-MION探針

由于合成條件的不同，形成的Tf-MION的大小也不相同。Tf-MION以TfR介導的細胞攝取符合受體-配體結合的特點，具有特異性。

2.抗TfR Ab-MION探針

抗TfR Ab-MION探針是抗TfR抗體與MION連接的復合物。

轉鐵蛋白受體介導的基因表達成像。在受體作為影像標記基因的研究中，研究最多的就是轉鐵蛋白受體，轉染有轉鐵蛋白受體基因的細胞表面轉鐵蛋白受體過度表達，轉鐵蛋白與葡聚糖包裹的單晶體氧化鐵（MION）結合后形成鐵化合物，這種化合物可以通過轉鐵蛋白受體特異地進入細胞內，使轉鐵蛋白受體（TfR）表達越多的細胞內鐵濃度越高。這樣，在MRI上可顯示轉鐵蛋白受體編碼基因的表達及調控情況，同樣這種方法也可應用于活體狀態的轉基因成像（圖3-11）。

人轉鐵蛋白受體（human transferrin receptor，HTfR）的表達受細胞增殖的調節。惡性腫瘤細胞表面TfR的超量表達提示人轉鐵蛋白（Tf）作為抗腫瘤導向藥物載體的可能性。分子影像學家希望通過探測轉鐵蛋白受體來早期發現腫瘤。目前的研究還處于試驗階段。在Moore的試驗中，應用了基因工程修飾過的9L膠質瘤細胞系，這種細胞系可以穩定的表達三種轉鐵蛋白受體，Tf-MION（單晶體氧化鐵）通過TfR特異性地進入細胞內，轉染HTfR水平高的細胞與轉染水平低或沒轉染HTfR細胞相比，MRI信號強度具有顯著的區別。使TfR表達越多的細胞內鐵濃度越高，MRI信號強度變化越明顯，因此，根據MRI上信號的強弱的變化即可推斷TfR編碼基因的表達情況。

然而，由于應用的氧化鐵劑量相對過高，從而需要用改良的MRI探針來監測在體（in vivo）基因表達的變化。Hogemann與Weissleder等介紹了一種用于MRI探測技術新的成像探針和改良的受體黏合物（binding），帶有交聯（cross-linked）右旋糖酐包被（dextran coat）的氧化鐵納米粒子通過連接分子N-琥珀酰胺3-（2-二硫吡啶）丙酸鹽［N-succinimidyl 3-（2-pyridyldithio）propionate（SPDP）］與轉鐵蛋白結合生成Tf-S-S-CLIO。通過希夫堿（Schiff’s base，即伯胺與醛或酮形成的縮合產物）減少右旋糖酐包被的氧化激活作用（oxidative activation）生成Tf-MION和Tf-CLIO（cross-linked iron oxide），改良的分子成像探針對于細胞的基因表達MR成像要比原來強16倍。這種新型的MRI探針會充分地增加體內探測的敏感性，增加少數細胞內基因誘導的轉鐵蛋白受體表達，還能顯著地減少目前臨床成像應用的氧化鐵的成像劑量（大于100mg/kg）。

Weissleder等利用膠質肉瘤細胞被表達質粒中含有基因工程化的轉鐵蛋白受體（ETR）的cDNA穩定轉染，過度表達使轉鐵蛋白受體蛋白質水平增加，導致細胞對超順磁性單晶氧化鐵納米顆粒與轉鐵蛋白的結合物（Tf-MION）的結合與攝取明顯增加，之后在裸鼠腹部兩側分別植入轉染的ETR陽性細胞和對照轉染的ETR陰性細胞，在植入后的第10～14天將Tf-MION注入裸鼠體內，具有ETR陽性的腫瘤和對照ETR陰性腫瘤的裸鼠活體MRI顯示，ETR陽性腫瘤處Tf-MION的攝取明顯增加，提示有ETR基因的表達。這一研究為MR受體基因表達成像的可行性提供了依據（圖3-12）。

在眾多不同的成像方式中，磁共振成像既有近細胞（25～50μm）的分辨率，也有對整體成像的能力。利用轉鐵蛋白受體作為報告基因進行分子成像還有一個優勢就是，作為分子探針重要組成部分的超順磁性納米粒子有更高的敏感性。

四、肌酸激酶報告基因系統

肌酸激酶是一種ATP轉移酶，存在于腦和肌肉內，而在肝臟、腎臟、胰腺中沒有分布。肌酸激酶可催化其底物產生磷酸肌酸（Pcr），磷酸肌酸可用³¹P-MRS進行檢測，Pcr波峰在0.3ppm處。

以肌酸激酶基因作為報告基因，用基因工程方法轉導入靶細胞，表達產物為肌酸激酶，肌酸激酶可催化其底物產生磷酸肌酸（Pcr），通過³¹P-MRS就可以監測靶細胞的活動和目的基因的表達情況。

五、鐵蛋白報告基因系統

鐵蛋白廣泛存在于動物細胞中，它與轉鐵蛋白、轉鐵蛋白受體等共同作用，維持細胞內鐵穩態。在人體內，鐵蛋白的主要功能是儲存機體中過剩的鐵，避免產生鐵的中毒。鐵蛋白在體內的表達可以攝取組織中過多的鐵。各種因素導致的鐵蛋白表達量的變化均可引起MRI信號改變，但鐵蛋白在不同的組織中結合鐵的能力是不同的，而且這種差異依賴于其結合鐵離子的形式是在正常條件下還是在鐵負荷條件下。有學者通過研究內源性鐵蛋白在肝癌細胞中的表達與磁共振弛豫率的關系，發現鐵蛋白表達水平與磁共振細胞成像信號強度呈負相關。大量體內、外研究表明鐵蛋白的表達可以縮短MRI的T₂弛豫時間，但不同組織內鐵蛋白表達量的差異和不同場強以及鐵的負荷條件等都會影響鐵蛋白所導致的MRI信號強度。

組織中鐵蛋白表達的增加可以導致MRI的橫向弛豫時間的增加，使T₂值縮短，并且在相應的MR成像上表現為低信號區。因此，鐵蛋白可以作為一種較為理想的MRI內源性造影劑。

鐵蛋白基因作內源性報告基因的幾種方式：①鐵蛋白H鏈轉染細胞；②鐵蛋白H鏈和I鏈共轉染細胞；③轉鐵蛋白受體和鐵蛋白H鏈共轉染細胞。

2005年美國學者Genove G等及以色列學者Cohen B等兩個獨立研究小組幾乎同時報道了鐵蛋白作為磁共振報告基因，證實鐵蛋白基因作為磁共振報告基因可以進行細胞和活體成像。兩年后，Cohen等在Nature Medicine上又報道了他們在利用鐵蛋白重鏈基因質粒構建的轉基因小鼠的肝臟、子宮和內皮細胞中，通過磁共振檢測到了鐵蛋白重鏈基因的高表達。雖然兩個研究小組都證實了鐵蛋白基因作為磁共振報告基因，但他們使用的實驗方法略有不同。

兩個獨立研究小組的實驗結果顯示，鐵蛋白基因轉染細胞后，對于細胞的生長沒有明顯影響，不產生其他毒性作用。利用鐵蛋白重鏈基因轉染細胞，或者重鏈和輕鏈基因同時轉染細胞都可以通過磁共振掃描檢測到高表達的信號。為了提高鐵蛋白在磁共振掃描時的信號強度，一些研究小組正在利用突變的鐵蛋白輕鏈基因轉染細胞，已經取得一定效果。

鐵蛋白磁共振報告基因在基因治療以及其他研究方面可能具有一定的應用前景。

基因治療：MRI報告基因的應用有助于監測治療基因的準確導入，通過評價報告基因的表達可間接評價治療基因表達的位置、幅度及持續時間等信息，無疑在人類基因治療效果的監控及評價方面有明顯優勢。鐵蛋白報告基因在基因治療中有兩方面的應用可能：①鐵蛋白報告基因本身作為治療基因；②減少游離的Fe²⁺參與自由基的生成過程，減弱了自由基生成的級聯反應。

鐵蛋白報告基因和其他治療基因的耦合。通過耦合作用，鐵蛋白的報告基因可以動態的監測腺病毒，反轉錄病毒，慢病毒所攜帶的治療基因，通過對治療基因載體的位點、轉基因表達的程度和持續時間成像，定量地監測治療基因載體的靶向性和轉導的有效性。

內源性基因表達的成像：將鐵蛋白基因和靶基因共同轉染細胞，構建穩定表達的細胞株，通過一系列體外實驗觀察靶基因對細胞生物學特性的影響，再將轉染的細胞接種動物，磁共振追蹤細胞在體內的情況，進一步了解活體情況下基因表達的部位和功能。研究顯示利用MRI可以監測由四環素（TET）調控的增強綠色熒光蛋白（EGFP）基因和鐵蛋白標記的流感病毒血凝素的基因表達。雙報告基因構建體的應用為內源性基因提供了表達多模式活體成像的機會，有利于監控和評價靶基因的表達在疾病中的作用，比較不同影像技術所獲得的圖像，綜合分析靶基因表達的部位和功能。

第六節　磁共振分子成像的應用概況

磁共振現象被發現以來，其發展是十分迅速的，特別是1990年Weissleder的研究中心在研究了超順磁性納米粒子（USPIO）可穿過毛細血管內皮后，應用阿拉伯半乳聚糖（AG）包裹的USPIO，在脫唾液酸糖蛋白受體（ASG）導向下對肝臟進行MR特定成像，開始了MR分子成像的研究；2000年，報道了利用MRI繪制基因表達圖譜；2002年，確認了以MRI為基礎的分子診斷工具的前景（圖3-13）。

磁共振分子成像主要應用在：①基因表達與基因治療成像；②分子水平定量評價腫瘤的血管生成；③疾病的早期診斷、疾病治療效果監測；④活體細胞及分子水平的顯微成像等方面。

一、基因分析及基因治療

在臨床醫學研究領域，基因治療被認為是腫瘤治療中最具有潛力、最可能發生革命性變化的領域，基因轉染和表達是其中的主要技術手段。應用磁共振報告基因成像可將目的基因和報告基因拼接起來，可以通過監測報告基因來判斷目的基因的存在情況。磁共振分子成像在基因水平上，因其空間分辨率高于PET等成像技術，且能同時獲得生理與解剖信息，因而多應用于基因傳遞、基因表達、基因治療效果的監測。具體地說，應用磁共振報告基因成像來示蹤載體（包括載體干細胞），顯示載體的分布情況；監測轉染的目的基因是否在靶器官成功表達、判斷其表達的水平及其分布情況，觀察表達的持續時間及追蹤能否遺傳等。另外，它的應用將增加對基因轉染過程的了解，這種了解對基因治療的發展和完善極為重要。

在以MRI為成像方法的報告基因技術中，第一類標記基因編碼產物為酶類，包括有：酪氨酸酶、β-半乳糖苷酶、胞嘧啶脫氨酶、精氨酸激酶、肌酸酐激酶。這種方法開發了特定酶修改成像藥物前體（prodrugs）的能力，即將探針（含酶底物）修飾成藥物前體，經特定的酶催化，將藥物釋放出來，通過藥物在組織中的積聚反映出目的基因的表達。第二類標記基因編碼產物為受體，主要為轉鐵蛋白受體，通過轉鐵蛋白受體探針進行探測。

磁共振基因成像是繼放射性核素基因成像之后出現的新的無創性技術，其突出的特點是具有更高的空間分辨率（spatial resolution），可以進行反復的動態觀察。其潛在應用包括：①明確基因轉染是否成功；②定位靶組織內的基因分布是否合適；③評估靶細胞的基因表達水平。

二、腫瘤的早期診斷

磁共振分子成像可在體內直接監測疾病的起因、發生、發展及一系列的病理生理變化，更可以實現腫瘤的早期診斷。

腫瘤細胞分子在出現腫塊的6年前即已發生改變，如果能早期探測到分子的異常，則對預防治療有一定的意義。

（一）轉鐵蛋白受體

轉鐵蛋白受體（TfR）在腫瘤早期發現方面的潛在應用價值受到越來越多的關注。目前已經通過動物試驗實現轉鐵蛋白（Tf）修飾的葡聚糖包裹單晶體氧化鐵（MION）作為探針，對腫瘤進行轉鐵蛋白受體成像。

（二）酶的改變

某些腫瘤與一些酶的改變有關，如乳腺癌、前列腺癌與組織蛋白酶的改變有關，通過MR分子影像學方法測定相關的酶，可對其進行早期診斷。

利用MR分子成像可在腫瘤治療前提供更加確切的治療范圍，指導臨床外科手術方案的確定。例如：現階段在手術中用磁共振來確定大腦腫瘤的切除范圍，但外科手術本身會導致顱內造影劑的擴散，這樣腫瘤的切除范圍會擴大，可以用MRI分子探針對腫瘤進行標記來解決以上問題。

三、監測新生血管生成

血管生成包括血管網的生長及重塑，與腫瘤的發生關系密切。研究發現，血管生成的抑制與增強與多種疾病密切相關，如某些癌癥、免疫性疾病和糖尿病等。

MR分子成像有許多監測血管生成的辦法。目前，監測腫瘤血管生成最引人注目的方法是以與腫瘤血管生成密切相關的新生血管內皮細胞的表達物為靶目標進行成像。常用的有以α_Vβ₃整合素為成像靶點的MR分子成像。將造影劑與α_Vβ₃整合素的抗體連接后，可與α_Vβ₃整合素結合，并可將新生血管與原有宿主血管分開，定量分析新生血管的結構和功能情況，還可確定血管生成抑制因子及刺激因子在時間及空間上的分布，并對其進行長期無創傷的監測，而且這種特異性造影劑經過修飾后可轉變成具有治療性的物質，這樣就使治療和診斷合二為一。

與此同時，在腫瘤血管生成方面也可進行外源性基因的表達成像。由于腫瘤血管生成過程中新生血管的某些特征性標記物（如多聚賴氨酸受體）水平上調，將造影劑與一些配體（如多聚賴氨酸）連接后即可與這些標記物特異性結合。Kayyem等合成了一種偶聯多聚賴氨酸的特殊配體分子，它兩端分別連接治療基因和MRI造影劑，可與細胞表面受體或抗原特異性結合，把所連接的治療基因、MRI造影劑同時導入到特定細胞內，通過MRI的強化程度即可直接判斷目的基因的轉染情況，不需要另外再連接報告基因，這樣既可將新生血管與原有宿主血管分開，定量分析新生血管的結構和功能情況，還可以確定、監測血管生成抑制因子及刺激因子在時間及空間上的分布。經過修飾后的特異性造影劑還可轉變成具有治療作用的物質，使治療和診斷合二為一。目前，上述特異性造影劑如釓離子標記的多聚脂質體已經接近臨床應用。

四、監測細胞凋亡

凋亡細胞表面有特征性高表達的磷脂酰絲氨酸，膜聯蛋白Ⅴ可以與磷脂酰絲氨酸特異性識別并結合。應用交聯氧化鐵（CLIO）納米粒子標記膜聯蛋白Ⅴ可合成分子探針，研究表明，通過二硫化物，每一CLIO納米粒子平均可連接2.7個膜聯蛋白Ⅴ蛋白質分子。人們在實驗中發現，膜聯蛋白Ⅴ-CLIO即使在磁性底物的最低濃度時也可通過MRI來有效地辨認含有凋亡細胞的細胞懸浮液，所以此探針通過MRI可探測細胞凋亡的情況。

五、腫瘤治療療效評估

利用MR分子成像可在腫瘤治療的極早期就可對其療效進行評價，而不是在多個療程后復查腫瘤的大小以及評估治療效果。例如：利用MR分子成像手段監測腫瘤細胞凋亡、腫瘤血管生成情況來判斷腫瘤治療效果。

六、血栓靶向性成像

目前，已經國外成功合成血栓靶向MR分子成像探針Ep-2104R，是由脂質包裹的氟碳乳液顆粒構成，表面結合Gd和與纖維蛋白特異性結合的肽段。可通過與血栓中纖維蛋白結合，實現對血栓的直接成像。

七、MRI細胞示蹤

細胞治療是現代醫學治療技術的重要組成部分。細胞治療廣泛開展后，如何無創傷性地在活體內動態監測細胞的遷移、生存狀態一直是困擾醫學科研工作者的難題，也是近幾年研究工作的熱點。能否在細胞分子水平對活體細胞的分布、增殖、遷徙進行評價是影響治療成敗的關鍵因素。

分子影像學是目前可以在活體狀態下在細胞和分子水平對生物過程進行定性和定量研究的唯一手段，它在移植細胞的功能研究中發揮獨特的作用，目前有關這方面的研究還僅處于初級動物試驗階段。已有不少學者將分子MRI應用于細胞移植，但主要是用于移植細胞的示蹤上，觀察到了移植細胞的存活，在器官內的遷移路徑，對于存在部位進行了較準確地定位，并應用弛豫率（R₂^*）值進行定量分析。迄今為止，國內外體外及大量的動物體內實驗也已證明，細胞移植治療終末期器官功能衰竭所涉及神經干細胞、神經前體細胞、骨髓間充質干細胞等，均可被SPIO的各種衍生物得到有效標記，活體內能夠導致充分的MRI信號改變，從而得到了滿意的MR示蹤成像結果，并已經過組織病理學證實。Moore研究組以及Evgenov，Natalia研究小組等利用納米鐵氧微粒體外標記胰島細胞，再將標記好的胰島細胞移植到動物模型體內，發現MRI可以檢測到存活的胰島細胞。近年來，也有學者開始將MRI應用于器官和細胞移植后的免疫排斥反應的研究，希望找到一種無創、可重復性強的免疫排斥檢測方法。Zhang Y等通過SPIO對巨噬細胞進行內標記，在排斥反應發生時監測到大多數巨噬細胞在排斥反應局部聚集，局部MRI信號降低。但大多數學者的研究領域主要集中在對巨噬細胞遷徙的研究上，通過巨噬細胞的胞吞作用對其進行SPIO內標記，在排斥反應發生時可以監測到大多數巨噬細胞在排斥反應局部聚集，局部MRI信號降低；由于巨噬細胞本身缺乏特異性，局部的普通炎癥反應也可引起聚集，因而，臨床應用受到了限制。

在基礎研究中，分子影像學作為一個良好的研究平臺，可以實時、無創、連續多次的觀察活體內的生物過程，與常規體外和細胞培養技術相比具有明顯優勢，為細胞示蹤術的發展提供了充足的技術保障，從而開創了分子影像學與細胞治療相結合的新局面。

（一）MRI分子影像學及細胞成像的條件

Weissleder 1999年對分子影像學的定義，它的成像技術主要包括磁共振成像（MRI）、核醫學及光學成像技術，不同的成像手段各有其優缺點。其中分子MRI成像具有高分辨力（已達到μm級）、高穿透深度及良好的軟組織對比度，同時可獲得解剖及生理學信息，且為非創傷性技術，為細胞水平的成像提供了充足的技術保障，在活體細胞的示蹤中前景看好。但它主要的不足是敏感性相對較低，對腦內神經遞質和受體的顯示一般只能達到10⁸摩爾濃度，而且成像分辨力遠遠達不到單個細胞成像的程度。

如何提高其現象敏感性，以達到分子成像的要求，需具備以下條件：

（1）高特異性高親和力的影像學探針（這些探針可以是小分子，例如配體或酶的底物；也可以是大分子親和配體），且該探針在體內有合理的藥代動力學行為。

（2）探針能通過生物性遷移屏障（如血管、組織間隙、細胞膜）標記于細胞表面或進入細胞內。

（3）適當的信號放大策略，能被影像系統監測到。

（4）高分辨率、快速、靈敏的影像監測系統。

其中，合適的分子探針（或造影劑）是開展MRI分子影像學細胞示蹤研究的先決條件，只有借助探針，通過靶向結合或酶學激活原理及適當的擴增策略放大信號，才能運用高分辨力的MR成像系統檢測到信號改變，從而間接反映細胞或分子的信息。

（二）細胞示蹤中常見的MRI探針

在分子影像學中，成像效果好的探針要求分子量要小，對細胞表面和細胞內的相同的靶生物分子的結合不存在傾向性差異；與靶分子有高度的親和力，而與非靶分子親和力低，能特異性結合；靶與背景率要大于1，能反映活體內靶分子的含量；能迅速穿過細胞膜順利到達目的地，在活體內相對穩定，半衰期長，不能被機體迅速代謝，但在血液循環中又有適當的清除期，既能與靶分子充分結合又不會有高的血“本底”；無細胞毒性，不會引起機體明顯的免疫反應或其他不良反應。

分子水平的MR成像是建立在傳統成像技術基礎上，以特殊分子作為成像對象，其根本宗旨是將非特異性物理成像轉為特異性分子成像。MRI造影劑的有效時間較長，可觀察細胞的動態遷徙過程，且空間、時間分辨力高，對比度好，故在活體細胞的示蹤中有良好的前景。但MRI的檢測敏感性較核醫學及光學成像技術低幾個數量級，因此需要大量的造影劑在靶組織內聚集。

目前已開發的MRI分子探針主要是一些順磁性物質，常見用于細胞標記的是以下兩種：

（1）釓類：

以釓為基礎的順磁性分子探針，能產生T₁WI陽性信號對比，已證實釓為基礎的可激活探針進行基因表達成像的可行性。但以釓為基礎的順磁性分子探針在分子水平成像所需要的濃度較高，而且技術上難度較大，故應用較少。

（2）氧化鐵納米粒子：

以氧化鐵為基礎的T₂WI造影劑，可以為單晶體，也可以是涂有多糖的多晶體。這些氧化鐵微粒由涂層的晶體氧化鐵核心構成，每個粒子含有上千個鐵原子，主要影響局部磁場均勻性，在較弱的磁場中，磁化中心即按外加磁場排列獲得巨大的磁矩，同時產生磁化率效應（susceptibility effect），從而加速共振質子的失相位，當這些磁性微感受器聚集在一起時，周圍水分子的自旋—自旋弛豫時間（T₂WI）降低，因此可用MRI檢測到這些信號改變。其特點是顆粒小、穿透性強且弛豫率約為同樣條件下Gd³⁺的7～10倍，在很低濃度條件下即可在MRI上形成對比，同時具有生物可降解性，并且在被細胞代謝后可進入正常血漿鐵池，安全性高，實驗室研究的結果也表明超順磁性物質轉染后標記的細胞不存在近期和遠期毒副作用，包括細胞活性、功能、增殖能力、分化能力、凋亡率、氧自由基生成情況，是一種安全、有效、特異性高的分子探針。

目前常用的是超順磁性氧化鐵顆粒（superparamagnetic iron oxide，SPIO）、超小順磁性氧化鐵顆粒（ultrasmall superparamagnetic iron oxide，USPIO）和單晶體氧化鐵顆粒（monocrystalline iron oxide nanocompounds，MION）等。SPIO 直徑30～1 000nm不等，由Fe₃O₄和Fe₂O₃組成，外包碳氧葡聚糖，其氧化鐵核心由若干個單晶體構成。USPIOs最大直徑不超過30nm，平均20nm左右。這種氧化鐵納米粒子中心是氧化鐵，外周由葡聚糖包裹，具有對外加磁場敏感性高，在較弱的磁場中，磁化中心即按外加磁場排列獲得巨大的磁矩，撤除外加磁場后無凈剩磁的特點。超順磁性氧化鐵的顆粒大小對其進入單核-吞噬細胞系統的部位有較大影響，一般直徑較大的SPIOs主要為肝、脾的單核-吞噬細胞系統所攝入，而USPIOs顆粒小，主要進入淋巴結組織及骨髓組織中。Daldrup-Link等的研究結果表明，SPIO顆粒的血中清除率太快，不適合作為標記組織血管特征的探針，而USPIO的半衰期較長（1～3小時），增強效果明顯，適合作為分子探針。MION的核心是單晶氧化鐵，直徑為5nm，外圍被幾納米厚度的右旋糖酐包裹，MION顆粒的整個大小與一些蛋白分子（相對分子質量約為775 000）相近。由于MION具有良好的生物學相容性，易于跨膜轉運、合成、純化和篩選工藝比較成熟及對MRI弛豫的影響已被研究清楚等優點，MION被廣泛應用于分子成像中。

（三）MRI分子探針標記細胞的方法及其發展過程

由于細胞膜、氧化鐵顆粒都帶負電荷，會影響細胞對這些顆粒的攝取，不能單獨有效地標記非巨噬細胞，因此必須采取特異方法對氧化鐵顆粒進行一定的修飾才能有效標記需要的細胞。近年來出現了各種針對MRI的分子探針，利用抗體或一些短肽作為納米微粒與細胞表面及細胞內特異物質間的連接物，將介導納米微粒與細胞結合，利用MRI對其進行探測，可以做到活體、特異、靈敏、清晰地檢測到靶向分子局部的MRI信號變化，間接地反映該類分子在病變局部的表達水平，圖像分辨率高。

磁性造影劑標記細胞的研究大體上經歷了三個階段：第一個階段是萌芽期，把結合的SPIO的某種組織直接移植給動物的相應部位以觀察組織學變化。第二階段才算是真正的標記細胞階段，在體外用SPIO對細胞進行磁性標記，可觀察到細胞的存活情況、在器官內的遷移路徑，對于存在部位進行了較準確的定位，并應用弛豫率（R₂^*）值進行定量分析。磁性SPIO微粒通過非特異性膜表面吸收過程進入細胞內，標記細胞的增殖、分化能力不受影響。第三階段：對細胞進行基因修飾后，把基因工程細胞進行磁性標記，并將標記的轉基因細胞移植到動物體內，既可達到替代病變細胞進行治療的目的，同時可解決移植細胞在活體內被MRI示蹤的一個難題。

（四）MRI分子影像學細胞示蹤術發展的現狀及前景

美國與歐盟先后啟動了分子影像學研究計劃，甚至認為該計劃是繼人類基因組計劃完成后的又一重大醫學研究領域。自2000年以來，美國國立衛生研究院（NIH）就確定了分子影像學為醫學影像學的研究前沿，其中包括了影像學的示蹤研究。我國影像學界（尤其是傳統的放射學界）在這方面雖然起步較晚，但發展較快，目前細胞標記主要集中于干細胞及腫瘤細胞方面，逐漸形成了MRI活體示蹤干細胞的研究這一熱點，僅國家自然科學基金2003—2004年的面上項目就已資助7項相關課題。MRI可以標記多種哺乳動物細胞，最初標記淋巴細胞、白細胞、單核細胞，現在已標記的細胞有神經祖細胞、臍血干細胞、間質干細胞及一些腫瘤細胞，其中貼壁生長細胞（如人骨髓間質干細胞、宮頸癌Hela細胞、恒河猴胚胎干細胞等）及懸浮生長細胞（如小細胞肺癌細胞、人骨髓源性神經能細胞）均可。干細胞標記后MRI示蹤已成功應用于內皮細胞、神經細胞、心肌細胞的多種動物模型中。滕皋軍等研究認為，粒徑為15nm多聚左旋賴氨酸修飾的SPIO對臍血干細胞的標記率接近100%。Fe₂O₃-arginine可以有效標記EPCs構建納米生物探針，臨床應用型1.5T MRI可在體外進行標記細胞群成像。最近也被應用于肝臟、腎臟、肌肉等領域。在肝癌Hab18G分子成像研究方面，國內取得了一定進展。容鵬飛等利用人清蛋白對納米Fe₃O₄微粒進行表面修飾，制成超順磁性Fe₃O₄納米微粒（SPIO），探討了超順磁性Fe₃O₄納米微粒對肝細胞癌的顯示能力，認為SPIO對微小肝癌的顯示能力優于Gd-DTPA，接近病理檢查顯示水平。

目前磁性造影劑標記細胞的研究已經取得了較大的進展，通過分子影像學手段，如將磁性粒子與抗體/受體結合，通過細胞表面相應的受體使磁性粒子進入細胞內與細胞某些結構或分子結合，作為特異性細胞成像的標記物，用多種手段能顯示標記細胞的分化、轉歸等過程。王維團隊通過結合了T細胞抗體的納米生物探針（USPIO）的MR成像特異性探測移植早期異種胰島移植局部CD4⁺ T淋巴細胞的聚集情況，實時、客觀、準確、無創性地反映異種胰島細胞移植免疫排斥反應局部的組織變化，為MR分子影像學方法檢測早期排斥反應提供了新的思路和平臺。

但是，對于MRI細胞示蹤仍有許多問題需要進一步深入研究，例如MRI示蹤中造影劑會隨著細胞分裂而稀釋，在監測標記細胞的分化方面尚存在一定不足，而且研究范圍較局限。不過，可以相信隨著相應造影劑的研究開發、標記細胞及其分化后細胞特異性生物標志的篩選，以及相關研究的不斷深入，在不久的將來MRI分子影像學技術活體示蹤將成為無創性細胞示蹤的主要手段。隨著分子影像學技術的不斷發展，其在細胞治療的研究與應用中會發揮越來越重要的作用，將進一步模糊治療學與診斷學的界限。

八、PET/MR分子成像技術的臨床應用現狀

（一）PET/MR在乳腺癌中的應用

全身PET/MR和¹⁸F-FDG PET/MR乳腺檢查可能成為乳腺癌分期、再分期，監測療效的精確手段。評估原發腫瘤需要對乳腺成像有經驗的放射科醫生，尤其避免假陽性診斷。評估腋窩情況仍然需要有創的分期檢查，但¹⁸F-FDG PET/MR能夠幫助篩選需要進行前哨淋巴結活檢或腋窩淋巴結清掃的患者，¹⁸F-FDG-PET/MR評估遠處轉移優于其他檢查方法，因為PET/MR能夠很好地顯示乳腺癌遠處轉移的典型改變，初步研究已經證實了PET/MR的價值，此外，PET/MR能夠準確進行再分期及早期療效監測。

（二）PET/MR在評估淋巴瘤中的應用

一體化和分體式PET/MR在淋巴瘤評估中的初步應用，取得了令人期待的結果，但目前僅限于對腫瘤患者的簡單分析，而且僅為小樣本的初步數據。PET和MRI檢查對淋巴瘤的評估各有其獨特優勢，但PET/MR對臨床不同淋巴瘤的價值尚需要進一步研究。

¹⁸F-FDG以外的其他放射性示蹤劑對淋巴瘤的價值有待研究，今后PET/MR研究熱點為通過兩種檢查信息互補，提高對中樞神經系統淋巴瘤診斷和分期的準確性，明確診斷骨髓侵犯和淋巴結外組織淋巴瘤，這些臨床應用研究需要進一步探索。目前初步研究提示PET/MR取代PET/CT評估淋巴瘤，能夠降低輻射劑量，尤其適用于需要進行治療后隨訪的患者和兒童。

（三）PET/MR在肝臟的應用

原發結直腸癌、乳腺癌、黑色素瘤或其他腫瘤發生肝轉移，MRI檢查能夠明確診斷；同時PET檢查可以篩查肝外轉移灶。肝臟原發腫瘤患者，進行MRI多參數成像與PET多種示蹤劑成像技術聯合檢查，不僅能診斷腫瘤的分型，而且能夠全面評價治療反應和篩查病變復發。PET/MR是一種新興技術，雖然初步研究表明其臨床應用功能具有巨大潛力，但仍需要進一步研究探討其價值和成本收益。

（四）PET/MR在結直腸癌的應用

PET/MR對結直腸癌的診斷優勢和益處顯而易見，與常規影像學檢查比較。至少有以下三點優勢：

1.提高直腸局灶性病變的診斷準確性。MRI檢查彌補了PET難以顯示小病灶的局限性，另外，PET/CT顯示為非特異性輕度攝取的小病灶，MRI檢查有助于提高對這種不典型表現病灶的診斷。

2.提高可疑淋巴結轉移的診斷。

3.提高治療后殘余腫瘤的診斷。ADC和PET信息相結合是評估治療反應的強有力工具，較單一檢查的診斷能力明顯提高。

隨著結直腸癌創新性治療方法的開展應用，影像學面臨的挑戰是如何為反映這些方法的有效性提供證據。血管抑制劑治療逐漸對結直腸癌發揮重要作用，除了單純提供形態學改變信息以外，如何闡明、量化和解釋治療效果，是影像學的主要任務。PET的新型示蹤劑已經顯示抗血管生成藥物有臨床療效，然而這些結果如何與MRI進行結合，尚有待確定。因此，PET/MR是最理想和全面的成像手段，其輻射劑量小，能夠進行多次檢查以評估治療反應，但目前PET/MR的作用和價值需要進一步證實。各種新型示蹤劑的研發有助于提高PET對結直腸癌的價值，探討新型預測因子、生物標記物、參數和測量，將使結直腸癌患者的影像診斷信息更加全面。

（五）PET/MR在顱腦的應用

新型一體化PET/MR技術可以實現結構、功能和分子影像數據在空間和時間的最佳配準，這種實時、高分辨率的多參數成像，不僅有助于提高臨床對腦疾病的評估水平，而且為中樞神經系統研究提供新方法。一體化PET/MR在腦成像有著無與倫比的優勢，對癡呆、退行性疾病、癲癇、腦腫瘤、腦血管病及炎性病變均有良好的診斷應用價值。這種多參數綜合評估模式，可以優化代謝和功能數據的部分容積校正，有利于動態數據的建模。PET/MR有助于理解復雜的代謝過程，深入探討腦功能和結構的關系。

一體化小動物PET/MR設備為動物實驗分子、細胞成像提供了新方法，一體化人體的PET/MR對基礎研究成果及疾病治療新方法的轉化具有重要價值。目前應用PET/MR同時評價多種參數是研究的熱點：

1.將目標基因以不同載體轉染至特定細胞，誘導外源性酶的表達。外源性酶的表達可提高誘導細胞對特異性藥物的易感性，轉化為有細胞毒性的化合物。這種方法應用于實驗性治療膠質母細胞瘤，通過單純皰疹病毒胸苷激酶基因，使腫瘤對更昔洛韋易感。PET/MR可以用于研究轉染基因的表達及其對腫瘤代謝、生長的影響。

2.一體化PET/MR能夠顯示移植細胞活性、分化及其對神經網絡的影響。胚胎干細胞可治療腦疾病，如紋狀體損毀，PET/MR顯示多巴胺細胞的增殖和分化以及特異性多巴胺轉運配體，如果多巴胺釋放導致苯丙胺應答反應，引起rCBV增高，提示移植細胞的功能活性恢復。

3.細胞替代方法治療神經系統疾病，如缺血性腦卒中，此方法關鍵是需要定位和監測移植干細胞或祖細胞的遷移，很多方法可以標記這些細胞，從而能夠進行MRI顯像，如氧化鐵顆粒，MRI可以顯示細胞遷移至損傷半球腦病變的周圍，PET能夠顯示細胞活性和功能網絡重組。通過PET/MR檢測標記細胞的活性、遷移及功能網絡充足，有望使依賴胚胎移植治療腦疾病成為可能。

一體化PET/MR成像為臨床評估腦疾病提供了新方法。MRI和PET對神經精神疾病的診斷有重要價值，因此，一體化PET/MR可以使腦疾病的診斷成為病理診斷，與單獨PET或MRI檢查比較，PET/MR可以提高診斷水平，使工作效率最優化，增加患者檢查的舒適度。總之，一體化PET/MR將最終促成一種新的診斷報告模式，包括兩種檢查技術的結果和診斷，會明顯提高診斷質量，避免給臨床提供不一致的影像診斷報告。在科研方面，PET/MR有助于提高我們對健康大腦生理功能的理解，為研究人類和小動物的中樞神經系統，不同指標之間的病理生理相互聯系提供了新思路。

（六）PET/MR在心臟的應用

心肌活性成像是晚期冠心病、早期或晚期心衰患者的常規檢查，目的是區分低灌注但有活力的心肌組織和灌注貧乏的無活力心肌，前者可以從有創血管再通治療受益，后者介入治療無效。¹⁸F-FDG PET是診斷的“金標準”，理想情況下心肌灌注（如¹³N-氨示蹤劑）和¹⁸F-FDG葡萄糖代謝顯像檢查應該使用高胰島素-正常葡萄糖鉗夾技術。理論上缺氧或缺血導致心肌代謝改變，利用游離脂肪酸轉化為葡萄糖，而且心肌受損嚴重程度與長期預后密切相關。該方法可以將心肌組織分為正常、部分存活、完全無存活，但PET分辨率低，MRI可以提供有價值信息。融合成像的重要價值在于能夠在血管再通之前，發現雖然心肌收縮沒有改善，但仍然存在有活力的心肌組織。

臨床廣泛應用的心臟核醫學檢查是發現或排除冠心病的血流動力學異常的有效手段，PET敏感性和特異性約90%，能夠定量評估患者預后，指導臨床治療。一體化PET/MR檢查首次實現了在同樣生理條件下（靜息或負荷），比較PET和MRI兩種檢查的心肌血流表現，除了進行驗證研究，還可以將MRI信息如形態學（MRI冠狀動脈造影）、室壁厚度、瘢痕（LGE）與PET功能信息相結合，有助于提高對心肌組織病變的顯示。

小 結

分子水平的MR成像是建立在傳統成像技術基礎上，以特殊分子或細胞作為成像對象，其根本宗旨是將非特異性地物理成像轉為特異性的分子成像。由于MRI具有高時間、空間分辨率，高穿透深度及良好的軟組織對比度，可同時獲得解剖及生理信息，并且無創傷性可反復應用等優點，使其成為分子影像學研究的重要組成部分。目前，磁共振分子成像已開始應用于基礎及臨床醫學研究領域并取得突破性進展，包括在神經科學的腦分子功能成像、腫瘤的磁共振分子顯像、MR心臟顯像及其他疾病的磁共振分子成像中，且在基因分析、療效評估以及活體細胞的示蹤研究上顯示出良好的應用前景。由于其檢測敏感性仍較核醫學及光學成像技術低等原因，目前所使用的磁共振造影劑及報告基因本身存在一定缺陷，研究范圍相對局限，因此，MR分子成像目前尚處于基礎與臨床前研究階段。但隨著分子生物學理論技術的不斷進步，具有高特異性、高親和力MRI探針的研發及高分辨的、快速、靈敏的MR成像系統的出現，磁共振分子成像也將不斷發展深入，并成為探討疾病發病機制、評價治療效果的重要手段。

一體化PET/MR的出現使得MRI的臨床研究也進入到分子水平階段，隨著一體化PET/MR在全身各系統的應用功能探索，分子影像學也進入到了一個新平臺，新階段。

（卜麗紅　馮洪燕　涂　寧）

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