分子影像技術的進展

　  分子影像學是醫學影像技術和分子生物學、化學、物理學、放射醫學、核醫學以及計算機科學相結合的一門新的學科。1999年美國哈佛大學Weissleder[1]最早提出分子影(成)像學(molecular imaging，MI)的概念，即應用影像學的方法對活體狀態下的生物過程進行細胞和分子水平的定性和定量研究。它主要是以體內特定分子為成像對比度源，利用現有的一些醫學影像技術對人體內部生理或病理過程在分子水平上進行無損傷的、實時的成像。它將遺傳基因信息、生物化學與新的成像探針進行綜合，由精密的成像技術來檢測，再通過一系列的圖像後處理技術，達到顯示活體組織在分子和細胞水平上的生物學過程的目的。
　　意義
　　在診斷方面，通過對腫瘤發生過程中的關鍵標記分子進行成像，可在活體內直接觀察到疾病起因、發生、發展等一系列的病理生理變化和特徵，而不僅僅顯示疾病末期的解剖改變；治療方面，觀察藥物作用過程中一些關鍵的標記分子有沒有改變，即可推論這種治療有無效用；在藥物開發方面，通過設計特異性探針，直接在體內顯示藥物治療靶點的分子改變，通過建立高能量的影像學分析系統，可大大加快藥物的篩選和開發；在基因功能分析以及基因治療的研究方面，通過設計一系列特異性探針，建立高通量的基因功能體內分析系統，可實時顯示該基因在體內表達的丰度、作用過程，也可在體內觀察目的基因表達效率，直接評價療效。主要應用於腫瘤學、心血管疾病、神經系統等方面。
　　成像原理
　　分子影像學融合了分子生物化學、數據處理、納米技術、圖像處理等技術，因其具有高特異性、高靈敏度和圖像的高分辨率，因此今後能夠真正為臨床診斷提供定性、定位、定量的資料。由此可見，分子影像學不再是一個單一的技術變革，而是各種技術的一次整合。分子影像技術有三個關鍵因素，第一是高特異性分子探針，第二是合適的信號放大技術，第三是能靈敏地獲得高分辨率圖像的探測系統。它將遺傳基因信息、生物化學與新的成像探針綜合輸入到人體內，用它標記所研究的“靶子”（另一分子），通過分子影像技術，把“靶子”放大，由精密的成像技術來檢測，再通過一系列的圖像後處理技術，達到顯示活體組織分子和細胞水平上的生物學過程的目的，從而對疾病進行亞臨床期診斷和治療。
　　技術難點
　　目前最為常用的分子影像學技術有核醫學成像技術，尤以PET的分子顯像研究最具活力。另外，MR成像及MR波譜成像（MRS）、光學成像以及紅外線光學體層亦頗多使用，而這些影像技術均有各自的利弊。就單從基因治療來看，有許多問題沒有解決，基因轉導或轉染是否成功？轉導或轉染的基因是否分佈到靶器官或靶組織，其分佈是否最佳？靶器或靶組織內轉基表達是否可以產生足夠的治療效應？轉導或轉染的基因是否以足夠高的水平定位於其他器官或組織以誘導產生未預料的毒性反應？在與前體藥物聯合作用時，轉基因表達的最佳時機以及啟動前體藥物治療的最佳時機如何？轉基因表達在靶組織或器官內可持續多長時間？
　　跨學科合作
　　也正因為各種成像技術各有利弊，存在各種難點，因此，常常需要進行跨學科、多角度的交叉與合作，這裡面既需要生命科學從分子水平提出亟待解決的問題，也需要物理、化學、生物數字、信息學等學科發展適應分子影像學研究的理論與技術，並應用於該領域。同時，需結合當代前沿的納米科學技術。然而，缺乏多學科的合作成了阻礙分子影像學發展的瓶頸，尤其缺乏與生物、化學、物理、工程、計算機等相關學科的交流和合作。比如，在分子探針的設計、製備以及表徵分析中，就需要生物工程、生物化學等相關專家的密切配合。
　　因此，跨學科的專家們首先要坐在一起，尋找共同感興趣的目標，這裡面有臨床意義以及前期的基礎；共同的興趣，如：MRI、CT、PET、超聲；應在某些方面集中，如抗體。其次，為了提高合作研究的效率要組成固定的研究課題組，明確分工責任，明確時間節點。再其次就是經費保證。以及共同發表文章各自的側重點等。所有以上這些是否需要書面協議？把這理清後才有可能更好地往前走，否則效率不高。
　　在分子影像學中，一個關鍵問題是如何客觀地評價傳遞和表達的效果，特別是在體（動物或人體）進行評價。目前顯示基因表達情況的方法分為有創性以及無或小創傷性兩大類。如果要對體內特殊分子或（和）基因成像，必須滿足4項必備前提：高親和力的探針，且該探針在體內有合理的藥代動力學行為；這些探針可穿透生物代謝屏障，如血管、間葉組織、細胞膜等；化學的或生物的信號擴增方法；敏感、快速、高分辨率的影像技術。
　　展望
　　至此，影像醫學發展逐漸形成了3個主要的陣營：經典醫學影像學：以X線、CT、MR、超聲成像等為主，顯示人體解剖結構和生理功能；以介入放射學為主體的治療學陣營；分子影像學：以MR、PET、光學成像及小動物成像設備等為主，可用於分子水平成像。三者是緊密聯繫的一個整體，相互印證，相互協作，以介入放射學為依託，使目的基因能更準確到達靶位，通過分子成像設備又可直接顯示治療效果和基因表達。分子影像學對影像醫學的發展有很大的推動作用，也與傳統的醫學影像學緊密相連。一些醫療器械製造商因此開發出了相應的產品，如西門子的Biograph 16 TruePoint（正電子發射及計算機斷層掃描系統），融合影像系統以及前沿的應用軟件，使研究人員能夠識別特定的生物學過程、監測化合物的效用、實時測量疾病進展，促進了基礎研究和藥物研發工作，使影像醫學從對傳統的解剖、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變化，將對新的醫療模式的形成和人類健康有著深遠的影響。分子影像學概念分子影像學與傳統影像學的對比　自從X射線發明以來，醫學影像技術的發展大概經歷了三個階段：結構成像、功能成像和分子影像。醫學影像技術(包括結構成像和功能成像)和現代醫學影像設備(如：計算機斷層成像CT、核磁共振成像MRI、計算機X線成像PET、B超)的出現，使得傳統的醫學診斷方式發生了革命性變化。但是隨著人類基因組測序的完成和後基因組時代的到來，人們迫切需要從細胞、分子、基因水平探討疾病(尤其是惡性疾病)發生發展的機理，在臨床症狀出現之前就監測到病變的產生，從而實現疾病的早期預警和治療，提高疾病的治療效果。因此，1999年美國哈佛大學Weissleder等提出了分子影像學(Molecular Imaging)的概念：應用影像學方法，對活體狀態下的生物過程進行細胞和分子水平的定性和定量研究。它是以體內特定分子作為成像對比度的醫學影像技術，能在真實、完整的人或動物體內，通過圖像直接顯示細胞或分子水平的生理和病理過程。它在分子生物學與臨床醫學之間架起了相互連接的橋樑，被美國醫學會評為未來最具有發展潛力的十個醫學科學前沿領域之一，是二十一世紀的醫學影像學。
　　分子影像學的優勢，可以概括為三點：其一，分子影像技術可將基因表達、生物信號傳遞等複雜的過程變成直觀的圖像，使人們能更好地在分子細胞水平上了解疾病的發生機制及特徵；其二，能夠發現疾病早期的分子細胞變異及病理改變過程；其三，可在活體上連續觀察藥物或基因治療的機理和效果。通常，探測人體分子細胞的方法有離體和在體兩種，分子影像技術作為一種在體探測方法，其優勢在於可以連續、快速、遠距離、無損傷地獲得人體分子細胞的三維圖像。它可以揭示病變的早期分子生物學特徵，推動了疾病的早期診斷和治療，也為臨床診斷引入了新的概念。