【述评】多模态分子探针:从基础研究到临床应用

一、国内外分子探针的研究情况

随着分子影像技术的发展，成像不再是单纯解决成像深度、精度等的物理科学，而是基于分子探针的化学成像，解决成像诊断的灵敏度和特异性的科学。近年来，大量新型分子探针逐渐被用于小动物活体显像领域。分子影像技术的深入研究，也促使了纳米科学、材料科学、信息科学、成像学、生命科学以及医学等多学科交叉，深入解决分子级别的成像问题^[1]。分子影像技术从靶分子、分子探针、成像设备最终回归到解决医学问题，每个环节都是分子影像技术中不可或缺的一部分，尤其是分子探针的设计与构建，直接决定了成像效果^[2]。

根据分子影像成像方法的不同，分子影像探针可分为放射性核素、光学、核磁共振和超声分子影像探针等，分别针对不同的成像模式进行显像^[3]。不同的成像模式具有各自的优势，但同时也存在各自不同的缺点或局限性。目前尚缺乏能够提供被检对象多维度信息的成像方法，也缺少能够提供所有解剖学结构、器官功能和分子机制的分子探针^[4,5]。因此，近年来学者们致力于构建将2种或2种以上显像方法相结合的显像方式，即多模态显像，以期在疾病的诊疗方面提供更为全面的信息^[6]。

多模态分子探针一般由2种元件组成，一种是靶向元件，通常是肽段、抗体、折叠DNA等^[7]；另一种为多模态信号元件，如较简单的放射性核素、荧光染料、金属钆、金属碘中2种或2种以上的组合，还有较复杂的纳米级别的颗粒，如量子点、硫化银颗粒、脂质体等^[8,9]，这类材料的表面具有多个修饰位点，可将多种信号元件加以组合，构建出多模态分子探针，例如本期重点号栏目中樊迪等^[10]的研究，成功制备了新型的双模态显像硅质体纳米分子探针，评估其在实验动物体内的药物分布和药代动力学特性的在体性质研究等工作，利用双模态纳米探针的特点精准评价药物特性，定量评价了硅质体在正常鼠体内的生物分布和药代动力学特性，为硅质体材料用于活体诊断以及潜在的治疗应用提供理论基础。由于多模态分子探针需要具有相对多的部件以完成多个模态下的显像，因此，选择一个表面积大的载体来提供相对多的位点将有利于多模态分子探针的构建。而纳米颗粒正是这样一种良好的载体，其从构成和构建上可以大致分为无机和有机纳米颗粒2种。如本期重点号栏目中周美君等^[11]利用脂质体有机材料包载DVDMS-Mn成功用于双模态影像引导下胶质瘤的声动力治疗。此外，颗粒的种类、粒径和体内代谢情况对纳米颗粒的生物兼容性、信号特性和特异性等均有直接影响。正如尚文婷等^[12]和雷鸣等^[13]文章所述，纳米级别分子探针在疾病的诊疗方面可提供更为全面的信息。

现在临床上已有将功能显像和解剖显像很好结合的显像方式，如SPECT/CT、PET/CT和新近出现的PET/MR，与之对应的分子探针也得到了广泛研究。除此之外，还有一些多模态结合的成像方式具有极高的临床转化前景，如光学成像与核医学融合、光学成像与磁共振成像融合、光学成像与光声成像融合等的双模态成像，甚至将光学、核医学、磁共振、光声等3种及以上的成像模态结合，这些多模态的成像方式辅以相应的分子探针能显著提升成像质量，为医疗工作者提供更多元化的信息。我国在这一方面探针研究也很深入，如本期重点号栏目中赵海涛等^[14]利用靶向整合素α_vβ₃的新型isoDGR多肽用于脑胶质瘤SPECT/CT显像研究，结果示：与RGD单体显像分子探针相比，isoDGR能在较早时间点就有效显像肿瘤，二者在肿瘤组织摄取值相当，且isoDGR分子探针清除较快，可在一定程度上减少患者不必要的辐射剂量，体现了良好的临床应用前景；Chen等^[15]构建的双模态探针，以钆为载体，通过包被牛血清以结合二硫化钼纳米片，将磁共振成像与光声成像相结合，结果显示该探针除具备良好的核磁/光声信号外，还具有极好的生物安全性，具有较高的临床应用前景；Sun等^[16]构建的MR/PET双模态探针，以能产生核磁信号的氧化铁纳米颗粒为载体，在其颗粒表面包被一层聚丙烯酸两亲性分子聚合物，然后通过一步放射性标记法以NOTA螯合氟化铝离子，从而构建出可同时进行解剖结构显像和功能显像的双模态分子探针。Kircher等^[17]针对脑胶质的治疗研发了MRI-PAI-Raman(MPR)纳米探针，该探针以Au纳米球为内核，SiO₂为外壳，通过硅表面修饰DOTA-Gd和拉曼层(Raman layer)，使其具有MPR信号。该研究先对原位脑胶质瘤进行MRI信号采集，进行术前空间定位；术中利用PAI和Raman信号指导手术切除；术后利用Raman信号进行清扫，检查肿瘤是否有残余。通过术前、术中到术后的全面处理，最终实现了脑胶质瘤的全面清理，提高了生存率，从而实现3种不同方式的显像，提供了更准确、全面的信息。需要说明的是，以上仅仅列举了几种不同组合的多模式显像，除此以外核医学与超声、光学与超声、光学超声及MRI等多种不同形式的多模态显像在动物显像中也得到了广泛开展，通过制备不同形式的多模态分子探针就可以开展相应的多模态分子显像。正是由于多模态分子探针的快速发展，多模态分子影像才得以长足发展，成为基础医学研究及转化医学研究的重要工具。

二、分子探针的研发亟待寻找新的突破口

早在2013年Vahrmeijer等^[18]就在其撰写的综述中提到，医学分子影像及手术导航技术在临床应用中最大的挑战在于探针需要进行完善的人体安全性实验并最终获得临床批准，然而这一周期是漫长的。Pan等^[19]在其2014年发表的论文中指出，分子影像技术为肿瘤的诊断提供了早期诊断的可能，但临床上尚缺乏具有特异性的分子探针，这也是导致目前临床上分子影像无法早期精准诊断的重要原因之一。2015年，Hyun等^[20]指出提高造影剂的靶向性是实验临床分子特异性成像的未来发展方向之一。近年来，国外科研方向已逐渐将分子探针由基础科研应用于临床转化。荷兰格罗宁根大学利用卵巢癌叶酸受体(folate receptor，FR)-α为靶点，合成分子探针叶酸-FITC，通过光学多光谱实时成像的方法，将光学分子影像手术导航的方法应用于人体卵巢癌手术，以提高检出准确性、灵敏度和特异性^[21]。荷兰莱顿大学科学家首次构建特异性分子探针GE-137，利用肝细胞生长因子受体c-Met靶点特异性结合结肠癌细胞的特点，实现了对结肠癌癌变前期腺瘤性结肠息肉的早期诊断，从而更有效地预防结肠癌的发生^[22]。德国埃尔朗根纽伦堡大学科学家针对如何实现克罗恩病疗效预测的问题，通过选择跨膜型肿瘤坏死因子靶点mTNF，制备靶向mTNF特异性分子探针adalimumab-FITC，从而实现了mTNF高表达克罗恩病患者的早期特异性识别，以及克罗恩病治疗的效果精确预测^[23]。尽管美国、英国、比利时、澳大利亚、荷兰等多个国家已经逐渐将分子探针应用于临床诊断中，但国内尚鲜有报道。作为我国重要需求，《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》以及《"健康中国2030"规划纲要》都将癌症五年生存率提高15%作为重要目标之一，因此将分子探针应用于临床检测势在必行。尽管分子探针应用于临床需要完善的生物学验证以及病理毒理学验证，这些工作需要较长的时间周期以及较高的科研成本，而融合发展的趋势给肿瘤的精准成像以及特异性切除带来了发展新机遇，有望实现分子探针在人体分子影像与临床应用的突破。