分子影像技术的进展

　  分子影像学是医学影像技术和分子生物学、化学、物理学、放射医学、核医学以及计算机科学相结合的一门新的学科。1999年美国哈佛大学Weissleder[1]最早提出分子影(成)像学(molecular imaging，MI)的概念，即应用影像学的方法对活体状态下的生物过程进行细胞和分子水平的定性和定量研究。它主要是以体内特定分子为成像对比度源，利用现有的一些医学影像技术对人体内部生理或病理过程在分子水平上进行无损伤的、实时的成像。它将遗传基因信息、生物化学与新的成像探针进行综合，由精密的成像技术来检测，再通过一系列的图像后处理技术，达到显示活体组织在分子和细胞水平上的生物学过程的目的。
　　意义
　　在诊断方面，通过对肿瘤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，而不仅仅显示疾病末期的解剖改变；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；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像学分析系统，可大大加快药物的筛选和开发；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。主要应用于肿瘤学、心血管疾病、神经系统等方面。
　　成像原理
　　分子影像学融合了分子生物化学、数据处理、纳米技术、图像处理等技术，因其具有高特异性、高灵敏度和图像的高分辨率，因此今后能够真正为临床诊断提供定性、定位、定量的资料。由此可见，分子影像学不再是一个单一的技术变革，而是各种技术的一次整合。分子影像技术有三个关键因素，第一是高特异性分子探针，第二是合适的信号放大技术，第三是能灵敏地获得高分辨率图像的探测系统。它将遗传基因信息、生物化学与新的成像探针综合输入到人体内，用它标记所研究的“靶子”（另一分子），通过分子影像技术，把“靶子”放大，由精密的成像技术来检测，再通过一系列的图像后处理技术，达到显示活体组织分子和细胞水平上的生物学过程的目的，从而对疾病进行亚临床期诊断和治疗。
　　技术难点
　　目前最为常用的分子影像学技术有核医学成像技术，尤以PET的分子显像研究最具活力。另外，MR成像及MR波谱成像（MRS）、光学成像以及红外线光学体层亦颇多使用，而这些影像技术均有各自的利弊。就单从基因治疗来看，有许多问题没有解决，基因转导或转染是否成功？转导或转染的基因是否分布到靶器官或靶组织，其分布是否最佳？靶器或靶组织内转基表达是否可以产生足够的治疗效应？转导或转染的基因是否以足够高的水平定位于其他器官或组织以诱导产生未预料的毒性反应？在与前体药物联合作用时，转基因表达的最佳时机以及启动前体药物治疗的最佳时机如何？转基因表达在靶组织或器官内可持续多长时间？
　　跨学科合作
　　也正因为各种成像技术各有利弊，存在各种难点，因此，常常需要进行跨学科、多角度的交叉与合作，这里面既需要生命科学从分子水平提出亟待解决的问题，也需要物理、化学、生物数字、信息学等学科发展适应分子影像学研究的理论与技术，并应用于该领域。同时，需结合当代前沿的纳米科学技术。然而，缺乏多学科的合作成了阻碍分子影像学发展的瓶颈，尤其缺乏与生物、化学、物理、工程、计算机等相关学科的交流和合作。比如，在分子探针的设计、制备以及表征分析中，就需要生物工程、生物化学等相关专家的密切配合。
　　因此，跨学科的专家们首先要坐在一起，寻找共同感兴趣的目标，这里面有临床意义以及前期的基础；共同的兴趣，如：MRI、CT、PET、超声；应在某些方面集中，如抗体。其次，为了提高合作研究的效率要组成固定的研究课题组，明确分工责任，明确时间节点。再其次就是经费保证。以及共同发表文章各自的侧重点等。所有以上这些是否需要书面协议？把这理清后才有可能更好地往前走，否则效率不高。
　　在分子影像学中，一个关键问题是如何客观地评价传递和表达的效果，特别是在体（动物或人体）进行评价。目前显示基因表达情况的方法分为有创性以及无或小创伤性两大类。如果要对体内特殊分子或（和）基因成像，必须满足4项必备前提：高亲和力的探针，且该探针在体内有合理的药代动力学行为；这些探针可穿透生物代谢屏障，如血管、间叶组织、细胞膜等；化学的或生物的信号扩增方法；敏感、快速、高分辨率的影像技术。
　　展望
　　至此，影像医学发展逐渐形成了3个主要的阵营：经典医学影像学：以X线、CT、MR、超声成像等为主，显示人体解剖结构和生理功能；以介入放射学为主体的治疗学阵营；分子影像学：以MR、PET、光学成像及小动物成像设备等为主，可用于分子水平成像。三者是紧密联系的一个整体，相互印证，相互协作，以介入放射学为依托，使目的基因能更准确到达靶位，通过分子成像设备又可直接显示治疗效果和基因表达。分子影像学对影像医学的发展有很大的推动作用，也与传统的医学影像学紧密相连。一些医疗器械制造商因此开发出了相应的产品，如西门子的Biograph 16 TruePoint（正电子发射及计算机断层扫描系统），融合影像系统以及前沿的应用软件，使研究人员能够识别特定的生物学过程、监测化合物的效用、实时测量疾病进展，促进了基础研究和药物研发工作，使影像医学从对传统的解剖、生理功能的研究，深入到分子水平的成像，去探索疾病的分子水平的变化，将对新的医疗模式的形成和人类健康有着深远的影响。分子影像学概念分子影像学与传统影像学的对比　自从X射线发明以来，医学影像技术的发展大概经历了三个阶段：结构成像、功能成像和分子影像。医学影像技术(包括结构成像和功能成像)和现代医学影像设备(如：计算机断层成像CT、核磁共振成像MRI、计算机X线成像PET、B超)的出现，使得传统的医学诊断方式发生了革命性变化。但是随着人类基因组测序的完成和后基因组时代的到来，人们迫切需要从细胞、分子、基因水平探讨疾病(尤其是恶性疾病)发生发展的机理，在临床症状出现之前就监测到病变的产生，从而实现疾病的早期预警和治疗，提高疾病的治疗效果。因此，1999年美国哈佛大学Weissleder等提出了分子影像学(Molecular Imaging)的概念：应用影像学方法，对活体状态下的生物过程进行细胞和分子水平的定性和定量研究。它是以体内特定分子作为成像对比度的医学影像技术，能在真实、完整的人或动物体内，通过图像直接显示细胞或分子水平的生理和病理过程。它在分子生物学与临床医学之间架起了相互连接的桥梁，被美国医学会评为未来最具有发展潜力的十个医学科学前沿领域之一，是二十一世纪的医学影像学。
　　分子影像学的优势，可以概括为三点：其一，分子影像技术可将基因表达、生物信号传递等复杂的过程变成直观的图像，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；其二，能够发现疾病早期的分子细胞变异及病理改变过程；其三，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。