第三章　磁共振分子成像概论

第一节　磁共振成像技术

磁共振（magnetic resonance，MR）分子成像是利用磁共振成像（MR imaging，MRI）技术并借助磁共振造影剂的生化特征来直接或间接地显示生物体内靶点的情况，其核心在于报告基因、分子探针系统的选用。MR分子成像的主要优点是具有高的空间分辨力和多序列成像，可达到或接近显微镜的分辨率。目前MRI能检出的最小体素可达 0.1mm × 0.1mm × 0.1mm，并且能够同时进行生理和分子标记物的分析，同时获取生理和解剖信息。然而，与放射性核素成像技术相比较，MR分子成像的时间分辨率有限，且敏感性较低，往往需要采用放大技术以达到合适的敏感性。另外，啮齿动物的MR分子成像通常是在小动物磁共振成像仪（micro-MRI）上进行，micro-MRI有更高的磁场和梯度场，其信噪比和空间分辨率显著提高。

多模式成像是利用两种或两种以上医学影像学模式对同一物体进行成像以获得融合信息。各种成像技术都有各自的特点，为弥补单一成像方式的不足，多种成像技术相互融合已成为分子影像学成像发展的重要趋势。

多模式融合技术分为软件融合和硬件的融合。软件融合是先用不同模式的系统分别采集图像，然后通过图像后处理软件进行数据融合。目前已广泛应用于临床的一体机多模式分子成像的仪器为PET/CT和PET/MR。表3-1列出了各种分子成像设备在空间分辨率、深度穿透性、成像时间等性能方面的比较，可以使我们比较全面地了解各种成像设备在不同成像模式中的应用情况。

一、MRI的定义及发展简史

（一）定义

磁共振成像又称核磁共振成像（nuclear magnetic resonance imaging，NMRI），是利用原子核在强磁场内发生共振所产生的信号经过图像重建的一种成像技术。

（二）发展简史

MRI的物理学基础是核磁共振现象。核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）是一种核物理现象。磁共振作为一种波谱学方法，是物理学提供给化学、生物、医学和材料科学等领域的一种非常有效的研究手段。磁共振技术能被用于观测小到原子分子的结构和动力学特征，大到活体动物甚至人体的宏观行为。早在1946年，美国斯坦福大学的Bloch与哈佛大学的Purcell就报道了这种现象并应用于波谱学（spectroscopy）。直到20世纪60年代MRI才用于活体成像，并于20世纪70年代用于医学成像。目前，MRI以其多参数成像可同时获得解剖、功能信息等优点，已经成为医学影像学中最为重要的成像方法之一，检查范围基本上覆盖了全身各系统。

MRI技术之所以能在生物医学领域有如此强的吸引力，主要是因为它有两个特点。第一，MRI技术是一种无创性（noninvasive）的研究手段；第二，MRI技术的灵活多样性和可变通性。

MRI的发展主要经历了四个阶段：20世纪70年代中到80年代初是第一阶段，也是其发展成熟和自我完善的阶段；从80年代初到90年代初是第二阶段，它更多被用于观测生理和病理条件下生物体在解剖结构以及形态学上的变化；MRI技术发展的第三阶段是在20世纪90年代，90年代初MRI不再仅局限于观测生物体的解剖结构，而是开始用于研究生物体的功能与活动机制；从90年代末开始，MRI技术的发展进入了第四阶段，也就是磁共振分子成像（magnetic resonance molecular imaging）的阶段。MRI分子影像学是运用影像学手段显示组织水平、细胞和亚细胞水平的特定分子，反映活体状态下分子水平变化，并对其生物学行为在影像方面进行定性和定量研究的科学。

二、MR分子成像的发展简史

MR分子成像最早可以追溯到肝脏的靶向成像。超顺磁性氧化铁的成功应用对于MR分子成像有至关重要的作用。超顺磁性氧化铁是一种单核-吞噬细胞系统特异性的造影剂，引入体内后，吞噬细胞就会把顺磁性纳米颗粒作为异物而吞噬，因此可非选择性地聚集于肝脏、脾脏、淋巴结等富含网状内皮细胞的组织和器官内，即被动靶向。

1988年，哈佛大学的Ralph Weissleder教授最早描述了表面用右旋糖酐包裹的超顺磁性氧化铁颗粒（superparamagnetic iron oxide，SPIO），并应用SPIO标记去唾液酸糖蛋白（asialoglycoprotein，ASG）和阿拉伯半乳糖（AG），合成了ASF受体靶向性磁共振分子成像探针，利用ASF和AG中富含半乳糖基团可被ASG受体介导、专一识别的特性，实现了肝细胞的主动靶向性成像，开创了MR分子成像的先河。

1999年，Bulte等将单晶氧化铁颗粒与鼠抗转铁蛋白受体的抗体OX-26共价连接，通过受体介导的细胞内化作用，将单晶氧化铁成功的转移到少突胶质细胞的定向祖细胞内，实现了非巨噬细胞的磁性标记，开始了MRI的细胞示踪研究。

MR报告基因成像，使MR分子成像达到基因分子水平。2000年，Weissleder成功使用转铁蛋白受体基因作为磁共振报告基因，通过将报告基因转染到胶质瘤细胞中，利用单晶氧化铁颗粒实现了胶质瘤的成像。随后，逐渐开发出许多新的磁共振报告基因系统，研究较多的报告基因可分为两类：一类为细胞内酶成像，主要有β半乳糖苷酶与酪氨酸酶；另一类为细胞表面受体成像，主要有转铁蛋白。它们根据自身不同的理化特性通过不同的方式达到扩增目的，从而引起MRI信号的改变。在基因治疗或基因表达研究中，为生命科学的发展提供了有力的工具。

目前，MR成像设备、技术和MRI分子探针合成技术发展十分迅速，MR分子成像有望成为继放射性核素分子成像之后，最先进入临床应用的分子成像技术。

第二节　磁共振分子成像设备

MR成像系统主要包括MRI信号产生和数据采集、处理与图像显示两大部分。MRI信号的产生是来自大孔径、具有三维空间编码的MR波谱仪，而数据处理及图像显示部分，则与CT扫描装置相似。

磁共振成像设备通常由主磁体、梯度线圈、脉冲线圈、计算机系统及其他辅助设备五部分构成（图3-1）。

（一）主磁体

主磁体是MRI仪最基本的构件，是产生磁场的装置。根据磁场产生的方式可将主磁体分为永磁型和电磁型。永磁型主磁体实际上就是大块磁铁，磁场持续存在，目前绝大多数低场强开放式MRI仪采用永磁型主磁体。电磁型主磁体是利用导线绕成的线圈，通电后即产生磁场，根据导线材料不同又可将电磁型主磁体分为常导磁体和超导磁体。常导磁体的线圈导线采用普通导电性材料，需要持续通电，目前已经逐渐淘汰；超导磁体的线圈导线采用超导材料制成，置于液氦的超低温环境中，导线内的电阻抗几乎消失，一旦通电后在无须继续供电情况下导线内的电流一直存在，并产生稳定的磁场，目前中高场强的MRI仪均采用超导磁体。

在过去的20年中，临床应用型MRI仪主磁体的场强已由0.2T以下提高到1.5T以上，1999年以来，3.0T的超高场强MRI仪通过FDA认证进入临床应用阶段。

高场强MRI仪的主磁场场强高，由此提高了质子的磁化率，增加图像的信噪比；同时，可缩短MRI信号采集时间；另外，增加化学位移使磁共振频谱（magnetic resonance spectroscopy，MRS）提高了对代谢产物的分辨力且更加容易实现脂肪饱和技术；最后，磁敏感效应增强，从而增加血氧饱和度依赖（blood oxygen level dependant，BOLD）效应，使脑功能成像的信号变化更为明显。但是MRI仪场强增高带来了设备生产成本增加、噪音增加、射频特殊吸收率（specific absorption ratio，SAR）增高及各种伪影增加的问题。而高均匀度的场强有助于提高图像信噪比，所以为保证主磁场均匀度，以往MRI仪多采用2m以上的长磁体，近几年伴随磁体技术的进步，各厂家都推出磁体长度为1.4～1.7m的高场强（1.5T）短磁体，使患者更为舒适，尤其适用于幽闭恐惧症的患者。

随着介入MRI的发展，开放式MRI仪也取得很大进步，其场强已从原来的0.2T左右上升到0.5T以上，目前开放式MRI仪的最高场强已达1.0T。图像质量明显提高，扫描速度更快，已经几乎可以做到实时成像，使MRI“透视”成为现实。开放式MRI扫描仪与DSA的一体化设备使介入放射学迈进一个崭新时代。

（二）梯度线圈

梯度线圈是MRI仪最重要的硬件之一，主要作用有：①进行MRI信号的空间定位编码；②产生MR回波（梯度回波）；③施加弥散加权梯度场；④进行流动补偿；⑤进行流动液体的流速相位编码。梯度线圈由X、Y、Z轴三个线圈构成（在MR成像技术中，把主磁场方向定义为Z轴方向，与Z轴方向垂直的平面为XY平面）。梯度线圈是特殊绕制的线圈，以Z轴线圈为例，通电后线圈头侧部分产生的磁场与主磁场方向一致，因此磁场相互叠加，而线圈足侧部分产生的磁场与主磁场方向相反，因此磁场相减，从而形成沿着主磁场长轴（或称人体长轴），头侧高足侧低的梯度场，梯度线圈的中心磁场强度保持不变。X、Y轴梯度场的产生机制与Z轴方向相同，只是方向不同而已。梯度线圈的主要性能指标包括梯度场强和切换率（slew rate）。

梯度线圈性能的提高对于MR超快速成像至关重要，可以说没有梯度线圈的进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弥散加权成像对梯度场的场强及切换率都有很高的要求，高梯度场及高切换率不仅可以缩短回波间隙加快信号采集速度，还有利于提高图像的SNR，因而近几年快速或超快速成像技术的发展可以说是直接得益于梯度线圈性能的改进。现代新型1.5T MRI仪的常规梯度线圈场强已达25mT/m以上，切换率达120mT/（m·s）以上。1.5T MRI仪最高配置的梯度线圈场强已达60mT/m，切换率超过200mT/（m·s）。

需要指出的是由于梯度磁场的剧烈变化会对人体造成一定的影响，特别是引起周围神经刺激，因此梯度磁场场强和切换率不是越高越好，是有一定限制的。

（三）脉冲线圈

与MRI图像信噪比密切相关的是接收线圈，接收线圈离检查部位越近，所接收到的信号越强，线圈内体积越小，所接收到的噪声越低，因而各厂家开发了多种适用于各检查部位的专用表面线圈，如心脏线圈、肩关节线圈、直肠内线圈、脊柱线圈等。

近年来出现的表面相控阵线圈（phased array coils）是脉冲线圈技术的一大飞跃。一个相控阵线圈由多个子线圈单元（element）构成，同时需要有多个数据采集通道（channel）与之匹配。目前临床上推出最新型的相控阵线圈的子单元和与之匹配的数据采集通道为8个以上。利用相控阵线圈可明显提高MRI图像的信噪比，有助于改善薄层扫描、高分辨扫描及低场机的图像质量。利用相控阵线圈与平行采集技术相配合，可以进一步提高MRI的信号采集速度。

（四）计算机系统

计算机系统属于MRI仪的大脑，控制着MRI仪的脉冲激发、信号采集、数据运算和图像显示等功能。

（五）其他辅助设备

除了上述重要硬件设备外，MRI仪还需要一些辅助设施方能完成患者的MRI检查，例如：检查床、液氦及水冷却系统、空调、胶片处理系统等。

近年来，临床PET和MRI一体化设备备受关注，PET/MR是将PET的分子成像功能与MRI的软组织对比功能结合起来的一种新技术，是人类医学影像的一大创举。目前国际上研发的PET/MR归纳起来有三种系统：顺序式扫描（也称为PET + MR、异机）、嵌入式设计（也称为PET/MR hybrid、同机）和一体化设计（也称为PET/MR、一体机）。

1.异机的优点是最大限度减少对单个设备的调整，就能获得集成的扫描图像。但这种设计最大的缺点是两种设备不能实现真正的同步扫描，该模式需增加扫描时间，这成为了临床的主要问题，此外，由于患者的生理活动与在不同设备之间转运导致的图像配准误差及图像校准面临很大的挑战。

2.PET/MR hybrid（也称为同机）模式是一种特别诱人的模式，该模式样机在欧洲推出，相关论文发表在2008年放射学杂志。该模式理念是研发可移除的PET探测器环，嵌入常规MRI设备中工作。这种模式能够实现PET和MRI同时采集，降低总采集时间；同时，由于采用二极管代替光电倍增管，磁场干扰的问题也得以解决。但由于其扫描孔径小的构造限制，该模式仅适用于小动物、人类颅脑及四肢的研究；并且扫描孔径也限制了PET系统的性能，径向视野限制了晶体长度和探测器的敏感性，可以通过缩小探测器环提高敏感性，但会增加散射分数，紧凑结构设计使热控制更加复杂。

3.PET/MR（一体机）模式是更加现实和可行的模式。该模式原理与PET/CT类似。其优点是实现了类似PET/CT的PET/MR扫描，又克服了磁场和衰减校正的问题。但其所面临的挑战与同机类似。与标准几何结构相比，直径小的探测器环可以提高敏感性，但是增加随机和散射计数，不过在某种程度上，通过减小探测器的能量接受窗，可以相互抵消这种效应。

总之，尽管PET/MR组合技术面临很多困难与挑战，但这将是未来几年研究的主要焦点。我们相信不久的将来PET衰减校正、散射补偿以及截断伪影校正、MRI匀场和涡电流补偿都会随着新技术的发展而得到解决。

第三节　小动物磁共振成像仪

随着基因工程研究的深入，出现了许多转基因动物及基因敲除动物，以小鼠最多，数十克的鼠和数十千克的人对成像技术的要求显然是不同的。此外，分子影像学除了有基因成像的要求外，还有一些表型成像的需要。这些都对影像技术提出了更高的要求。小动物磁共振成像仪（micro-MRI）的空间分辨率比临床型MRI仪的空间分辨率大数十倍，在转基因动物等的实验研究中发挥了巨大的作用。它专用于小动物成像，常利用小型高场及超高场磁共振成像，也是目前许多发达国家磁共振研究的重要领域。

一、小动物磁共振成像仪的优势

小动物磁共振成像（micro-MRI）已成为显示小动物在体生物学过程最好的成像方法之一，这项技术的优势在于：具有高分辨率，已达到50μm级，可同时获得解剖及生理信息。但是MRI也有其弱点，它的敏感性较低（微克分子水平），与核医学成像技术的纳克分子水平相比，低几个数量级。图3-2为多种成像设备在获得解剖与生理信息的效果比较，从图中可以看出小动物磁共振成像系统相比其他成像设备更能全面获得生物体的解剖和生理信息。

相对于传统的技术如利用光学显微镜的组织学技术，MRI图像可被作为3D数据集获得，这个数据在较短的时间内就可以对一个标本进行精确的描述。

最为重要的是，MRI图像可以在活体内获得，这就可以直接通过反复的成像观察动态变化，而不是根据不同的离体组织标本和不同时间的切片进行推断。多种对比机制用于MRI，不仅能对研究中的组织结构，还能对组织化学变化进行检查。

二、小动物磁共振成像仪的成像技术

与临床应用型MRI机比较，小动物磁共振成像系统的扫描孔径小、磁场强度高，梯度场强高，发射线圈敏感，脉冲序列更有效，三维成像设计更优越。这样大大提高了空间分辨率及信噪比。但由于编码容积数据范围较大，需增加累加次数以提高信噪比，故检查时间较长。

小动物磁共振成像能够完成具有最新技术水平的磁共振成像和波谱实验，其中包括像回声平面（EPI）这样的超快速成像、动脉自旋标记成像（ASL）、单一像素或化学位移成像等实验。多通道接收系统应可与相控阵线圈联用，进行并行成像。

对于小动物磁共振成像实验，相同的规定指南或者“标准”是不存在的。我们也要说明的是由于磁场较高，梯度较强，相对应的磁敏感伪影和运动伪影的消除就变得很困难，有时甚至无法克服。

三、小动物磁共振成像仪的应用

在过去的20年中，磁共振成像（MRI）和磁共振波谱学（MRS）主要应用领域包括神经科学、心血管疾病、肿瘤学和代谢相关疾病的研究。在很多情况下，MRI/MRS已经被当作神经科学研究的“金标准”。分子生物学和基因组学研究的快速发展也导致了小动物磁共振成像和波谱的更广泛应用。

小动物磁共振成像分3个层次：①实验小动物活体器官结构水平成像；②组织学水平成像；③细胞水平成像。不同的类型的磁共振设备其功能可能有些差异。

磁共振波谱学（MRS）利用磁共振现象和化学位移作用，进行特定原子核及化合物的定量分析，可检测出许多与生化代谢有关的化合物，而用化学位移成像的方法就可以得到这些生物分子在体内的分布，并用它来反映生物体内的某些特定的分子过程。其另一特点就是可以用不同核的磁共振谱来检测生物体内不同的代谢物，反映不同的分子过程。由于小动物磁共振成像仪往往具有超高的磁场强度，对谱线的分辨能力就更加显著。目前用于磁共振波谱测定的原子核有氢、磷、碳、氟、氮、钠和钾等原子核，但应用于临床研究的主要有氢和磷。

MR成像技术能够从微观到宏观系统地探测活体生物体的结构和功能。而超高场强小动物专用的微型磁共振成像系统将从传统的非特异性物理、生理特性成像深入到特异性细胞分子水平成像，疾病评价指标也将从传统MRI的大小形态、解剖部位、信号强度等深入到酶、受体、功能性指标等，从而使对疾病的评价更完善，更具特异性。

第四节　磁共振分子成像探针

随着MRI技术的不断发展，MRI造影剂的应用也越来越广泛。1946年，Bloch就使用Fe（NO₃）₃缩短质子的弛豫时间。这种能引起质子弛豫时间缩短的离子或小分子称为“顺磁性物质（paramagnetic substance）”。用于MRI检查的顺磁性物质被称为顺磁性造影剂（paramagnetic contrast media）。顺磁性物质于1976年用于动物实验，以后逐渐应用于临床。

MRI造影剂的分类方法有许多种，按照物质的磁化特性可分为顺磁性造影剂和超顺磁性造影剂；按照造影剂作用原理可分为阳性和阴性两类；按造影剂的药物代谢动力学特点可分为细胞外、细胞内及血池性造影剂；按造影剂是否带电荷可分为离子型和非离子型两类；按照造影剂所含金属元素的种类，可分为含Gd（Ⅲ）（钆）造影剂、含铁造影剂、含锰造影剂及含镝造影剂等；根据其分布范围或应用分为胃肠造影剂、肝脏造影剂、淋巴系统和单核-吞噬细胞系统造影剂、血管成像造影剂等；根据作用机制分为T₁造影剂和T₂造影剂；根据构成造影剂的材料分为磁性造影剂和扩散型造影剂。

由于MRI的敏感性相对较低，如何同时做到保证特异性和信号放大是磁共振分子探针研究的核心问题。除此之外，分子探针在合成过程中还要满足以下几方面要求：第一，分子探针必须具有生物兼容性（bio-compatibility）；第二，分子探针必须有特异性（specificity）；第三，分子探针的设计必须考虑到它在生物体内的运输过程；第四，分子探针的设计必须考虑其在生物体内的半衰期。

近20年来，各种新技术、新观点的引入大大拓展了MRI分子探针的概念和研究领域。早期人们使用顺磁性造影剂（主要是钆）和超顺磁性造影剂（SPIO等）。而化学交换饱和转移（chemical exchange saturation transfer，CEST）技术的引入使得增加了分子探针候选物质的数量，更通过选择性饱和同时获得多个频谱的MRI信号或者通过控制外加脉冲与否达到实时控制对比的目的。超极化（hyperpolarized）所使用的原理正是饱和现象的反面。

上述四类分子探针是结构保持不变的，而近些年来可激活探针越来越引起人们的兴趣，这种可激活探针能够对周围环境产生反应，通过改变分子结构来达到差别对比。按作用原理来说，前面所述的四类结构不变的分子探针都可以做成可激活探针。人们习惯上按照这些分子探针成像的激活因素将他们分类为：pH、PO₂、温度、金属离子、蛋白质或酶、核酸、代谢产物等。

随着探针合成技术和纳米技术的不断进展，目前已经合成了很多种磁共振成像造影剂和分子成像探针。本节总结了多种MRI信号放大策略。

一、环境依赖型可激活探针

（一）pH值改变激活的探针

由于糖酵解活跃，肿瘤组织中的pH值会低于正常组织。正常组织pH值范围在7.4左右，而肿瘤局部pH值在6.8～6.9。这种差异虽然很小，但通过相应的功能化造影剂还是可以检测到这种差异所致的弛豫时间的改变。一种常用的方法是基于连接到造影剂骨架结构上的某些有机分子所具有的酸/碱离子化能力，根据这些分子的质子化状态，决定其是否可作为顺磁性中心的螯合臂。增加/去除螯合臂会引起水分子配位数（q）的改变进而产生pH值变化介导的弛豫（图3-3）。Parker D.和Aime S.首先提出了这一设想，基本原理是：造影剂有一个经Gd-DOTA修饰的骨架结构，上面荷载一个可被取代的苯环，该苯环通过磺酰胺链连接于骨架结构上，作为酸/碱传感基团。可通过向磺酰胺键的对位苯环基团增加不同的修饰基团来调节磺酰胺造影剂的质子化/去质子化（图3-4）。研究表明利用该造影剂，通过测量纵向弛豫时间可监测pH值的变化。后来有学者对该探针的基础结构进行了进一步修饰，降低了由于Gd释放引起组织毒性的危险，同时避免了外部阴离子结合到顺磁性中心，而后者会导致内层水分子增加并进一步引起弛豫减低。总之，该方法合成的复合物，其弛豫随整体pH的改变而变化。当把该复合物放在与生理条件相近的溶液中进行测量时，发现在pH = 6.8和pH = 7.4时可以得到不同的弛豫数值，验证了这种方法的可行性。

2004年，Woods等人做了相近的研究（图3-4），合成的造影剂含有一个pH敏感性侧链，该侧链包含一个硝基苯基团，该基团的质子化/去质子化是产生弛豫改变的原动力。另有学者在1999年合成了一种经DOTA螯合的Gd（Ⅲ）复合物，该造影剂对pH值变化有高度敏感性。当pH值从4增加到6时，上述pH值敏感的造影剂的弛豫也随之增加，当pH值在6～8.5范围内时，其弛豫减低，而pH值在8.5～10.5时，其弛豫保持不变。这种反常的pH值依赖性弛豫现象，原因可归结为配体存在不协调的磷酸盐化合物基团。在pH值为6～9时，这些可电离基团的质子通过高效的氢键网络，催化了结合水和造影剂之间的质子交换。在更低pH值时，进一步的质子化会使该氢键网络断裂。

在另一项实验中，依据水分子在顺磁性中心周围第二级配位层上分布情况的改变，可制备出另一种pH值依赖的造影剂。在DOTA上连接羟基氮苯基形成螯合物，该螯合物具有pH值敏感性（图3-5）。通过造影剂某些组分的质子化作用，可以得到多种不同的弛豫性能。

Aime等人采用了完全不同的方法制备一种pH值敏感性多聚造影剂：将包含30个Gd的螯合物连接到含有114个鸟氨酸残基的多聚体上，在pH值低于4时，弛豫值为23/（mmol/L·s）。当pH值提高到8时，弛豫值增加到了32/（mmol/L·s）。弛豫能力的不同是由于鸟氨酸的质子影响了造影剂的旋转时间而引起的。可以假设，在高质子化水平（低pH）时，分子间关联程度低，因此，系统可以保持较高的活动性；当pH值升高时，分子间的关联增加，降低了造影剂的自由度，进而导致弛豫增加。

包含长烷基链的造影剂具有与磷脂类似的结构，该类造影剂聚集形成了一种大分子物质，该物质可由酸性调节，具有pH值敏感性。基于pH值的改变，个体分子的亲油性发生改变，形成了胶体态凝聚物，其弛豫随之发生了明显的改变，从pH值为6时的7.9/（mmol/L·s）到pH值为8时的19.1/（mmol/L·s）。

Mikawa等在2000年报道了一种对微环境敏感的多离子型造影剂，该造影剂由两个高分子聚合物组成。当pH值从7.0降低到5.0时，该造影剂的弛豫增加了50%，相关机制还不清楚。而且这种造影剂在荷瘤鼠上能检测到，在正常小鼠身上却检测不到。

2001年，Lokling通过将Gd封装在脂质体内，得到纳米级的pH值敏感性造影剂。在高pH值时，造影剂的弛豫降低，原因可能是因为在脂质体内缺乏水分子。降低pH值，脂质体的结构发生改变，造影剂溢出进入到介质中，造成弛豫增加了6倍。进一步研究表明上述脂质体在生理性pH值环境中不稳定。但是，造影剂在生理性pH值下的溢出问题，可以通过增加特定的阳离子（钙或镁）来加强脂质体的稳定性的方法来解决。

（二）小分子离子依赖性探针（离子选择性造影剂）

许多生理信号改变有二价阳离子的参与，如Ca²⁺、Zn²⁺或Fe²⁺，通过MRI检查可以成功的检测到是否有阳离子的存在。Ca²⁺是一种细胞内的第二信使，参与许多重要的信号传导过程。钙敏感的磁共振造影剂就是基于我们熟悉的钙荧光传感器设计出来的。

钙敏感分子的结构包括两种功能单位：特异性钙螯合单位和结合两个Gd-DOTA衍生物的钙螯合单位（图3-6）。当存在Ca²⁺时，由于钙螯合部位的高结合系数很高，钙阳离子发生配位亚胺基羧化；当没有Ca²⁺时，相同的羧化物重新排列，通过DOTA单位进一步稳定Gd离子的螯合。这样，钙介导的重组产生的q值是1或0，所以，弛豫值随着Ca²⁺浓度的不同而不同。

2002年Hanaoka等人进行了类似的研究，开发了Zn²⁺敏感型MR造影剂（图3-7），为了产生阳离子的敏感性，应用Zn²⁺结合单位对Gd-DOTA的两个羧基部位末端进行了功能性修饰。Zn²⁺螯合单位有一个亚胺羧化物臂，可以螯合Zn²⁺离子，或是通过DTPA基本骨架结构介导Gd的螯合。如前所述，羧化物的重组导致q值的变化，因此，弛豫时间也随之改变。

利用Fe³⁺可结合三个双基配位配体，形成一个八面体复合物的能力，可以通过以下两种不同的机制来设计Fe敏感性造影剂：

（1）将顺磁性物质螯合到水杨酸或二氮杂菲单位上，使三个彼此独立的造影剂单位聚合成一个大的翻转率低的超分子物质（图3-8）。

（2）通过氧肟酸盐组分将三个顺磁性中心连接在一起的形成一个大分子（图3-9）。

铁经过氧肟酸盐螯合，整体变得很坚硬，因此限制了钆中心的自由旋转，增加了弛豫时间，而造影剂的尺寸没有明显变化。

最近，有人利用相似的方法开发出了包含两个或六个钆中心的超分子系统。前者基于一个三联吡啶结构，该结构带有与DTPA类似的“钆螯合单位”。通过三联吡啶氮可螯合不同的金属，在同一聚合物中形成了含有两个不同的钆中心的包裹体。后者利用二吡啶将2个“钆螯合单位”连接起来，二吡啶与不同金属配位，合成了含有六个钆中心的造影剂。

（三）其他造影剂

除了上述探针之外，人们还开发出许多种其他类型的环境敏感性可激活探针，作为磁共振的信号放大策略，其中包括温度敏感性探针和血氧浓度敏感性探针。

（1）温度敏感性探针：

在进行肿瘤高温治疗时需要持续监测肿瘤内部温度的变化情况。

（2）血氧浓度敏感性探针：

血氧浓度敏感性探针的设计是基于去氧血红蛋白的顺磁性及其在fMRI中的广泛应用基础之上的。

二、酶敏感性探针

很多疾病的发生发展过程中都伴随着酶活性的变化，因此酶活性变化是疾病的重要标志之一。酶具有形成或断裂某些化学键的能力，利用酶的这个特性，研究人员开发出了多种可被酶激活的造影剂（酶敏感性探针）。

最初的报道见于1997年，Moats等合成了一种β-半乳糖苷酶敏感的顺磁性酶作用底物。

2000年，Louie等人开发出一种Gd-DONA衍生物作为酶敏感性探针。他们通过醚键将吡喃半乳糖组分结合到螯合物上，使造影剂具有疏水性，这里的吡喃半乳糖组分的作用就是阻止水分进入到钆顺磁性中心。在静息态，水分子直接连接到顺磁性中心的数值（q）是0.7；在激活态，即半乳糖苷酶存在时，酶的催化作用使连接于半乳糖和螯合单位之间的醚键断裂，q值升高到1.2。因此，酶的催化作用增加了钆造影剂与周围水分子的接触频率（图3-10）。q值从0.7升高到1.2则使弛豫增加了40%。在酶裂解作用的功能基团臂上引入甲基，可进一步提高造影剂的疏水性，在酶激活后，弛豫可增加200%。借助于这种明显的弛豫变化和这种变化所引起的MRI信号强度的改变，研究人员在X laevis胚胎中成功地实现了lacZ基因成像。尽管在实验中，研究人员需要通过显微注射的方法把造影剂引入到胚胎组织中，以降低细胞摄取的危险，但是这项研究依然是值得肯定的。

Duimstra等报道了一种类似的β-葡糖醛酸糖苷酶敏感性探针。方法是通过醚键将β-葡糖醛酸结合到探针的螯合臂上，该螯合臂具有自杀性级联反应活性，β-葡糖醛酸的作用是封闭螯合臂，阻止自杀性级联反应的发生。酶的催化作用将通过降低激活态的探针的q值（低于静息态），引起弛豫的减低。机制如下：β-葡萄糖醛酸的醚键断裂激活了自杀性级联反应，使螯合臂恢复到自由态，自由态的螯合臂为该探针提供了一个配位臂，配位数增加引起q值减低。

另外，通过不同的方法增加弛豫时间，还可以获得其他类型的水解酶敏感性探针。如前所述，在酶的催化作用下，探针内某些化学键会发生裂解，化学键的断裂进一步引起探针q值的改变，因此可利用酶来增加造影剂与人血清白蛋白（human serum albumin，HSA）的结合能力。由于疏水基团可以与HAS紧密结合，研究人员将经修饰的1，1-二羟基联苯结合到Gd-DTPA的衍生物上。联苯基团有多个疏水性羟基基团，其中一个羟基通过乙醚键与金属螯合基团（Gd-DTPA衍生物）结合，其他的羟基则被亲水性的磷酸酯封闭。在碱性磷酸酶的作用下，磷酸酯水解，解除了对羟基的封闭作用，使联苯上众多疏水性羟基暴露出来，从而增加了探针对HSA的亲和力。

还有人用更简单的办法合成了另一种与HSA有很高亲和力的造影剂。他们用一个含有HSA结合序列的短肽取代了联苯基团，并将另一个序列为赖氨酸-赖氨酸-赖氨酸的短链结合到该短肽上作为其末端，由于赖氨酸短链带有正电荷，因此造影剂与HAS的结合能力很低。在纤维蛋白溶解抑制剂（可被凝血酶激活）的作用下，赖氨酸短链裂解，正电荷被去除，造影剂与HSA的结合能力明显提高了。联苯基团修饰的造影剂的弛豫时间增加了2.2倍，而5-二碘酪氨酸衍生物修饰的造影剂的弛豫时间则增加到了2.7倍。

Aime等在2002年合成了一种可被巨噬细胞内酯酶特异性激活的探针，并有望用于成像炎症反应。他们通过酯链把两个长烷基链结合于Gd-DTPA的两端，烷基链使Gd-DTPA不溶于水，因此没有活性，也没有造影剂的功能。当造影剂被巨噬细胞内化之后，在巨噬细胞内的酯酶作用下，酯链断裂，两个长烷基链脱落，Gd-DTPA恢复了水溶性和活性。这种造影剂有可能对巨噬细胞参与的炎症反应进行成像。

上述酶敏感性探针有一个共同点，就是基于某些酶具有裂解某些化学键的功能，但是，以上方法并不适用于水解酶的研究。近来，研究人员基于某些酶可以催化形成某些化学键的功能开发出另一类型的酶敏感性探针（聚合酶或氧化还原酶）这种探针是基于在酶的催化作用下，造影剂分子发生寡聚的基础之上的。

2004年Chen等合成了顺磁性的钆喷酸葡胺（GdDOT）和5-羟色胺复合物。5-羟色胺是一种自然神经递质，是髓过氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）的作用底物，可被MPO氧化。Gd-DOT和5-羟色胺复合物在MPO的氧化作用下可发生寡聚，这种寡聚物具有造影剂的活性，可供磁共振检测。MPO属于过氧化物酶家族。在动脉粥样硬化病变中，由巨噬细胞和中性粒细胞分泌的MPO与粥样斑块的破裂有密切的相关性。MPO定位于动脉粥样硬化斑块，其产物可通过上调低密度脂蛋白，使高密度脂蛋白失活、激活MMP、诱导内皮细胞凋亡和促使氧化剂NO失活等途径，促进动脉粥样硬化病变的发生和发展。Chen等利用钆喷酸葡胺（GdDOT）和5-羟色胺复合物作为MPO激活的探针，成功的对动脉粥样硬化进行了分子成像。

三、生物素/链霉亲和素-生物素放大系统

生物素（biotin，Bt）-亲和素（avidin，Av）/链霉亲和素（streptavidin，SA）技术（BA技术）是近几年来发展很迅速的一门生物学技术。Bt-Av系统由Bayer于20世纪70年代中期首先应用于酶联免疫技术和免疫组化染色等免疫学领域，之后Bt-Av系统有了快速发展。

BA技术原理基于生物素与亲和素的以下特征：①两者具有高度特异的亲和性；②桥联作用；③多级放大作用。BA技术的这些特性，使其在多个领域广泛应用。在分子影像学上，生物素-亲和素系统可应用于放免成像、脂质体放射性核素成像、MRI大分子造影剂成像等，尤其可用于分子成像信号放大的过程。

尽管亲和素-生物素反应广泛应用于靶向性成像中，但也有一定的局限性。第一，此种制备方法步骤多，比较耗时，工作量大；第二，同源性生物素可与生物素标记的配体竞争亲和素结合点，因此需加大亲和素的量才能消除此种影响。此外，亲和素这种阳离子大分子物质，还可聚集于肾小球基底膜内的阴离子区并与之快速结合。可见，此种亲和素-生物素结合技术理想上来说适合于体外实验，但在活体研究上有一定的局限性。因此，很有必要寻找一种简单化的、单步骤共价结合的配体系统。

第五节　磁共振报告基因成像

磁共振报告基因通过改变磁共振对比度进行成像。目前采用的实验方法包括：①通过限制性内切酶消化去除阻碍水（质子）交换的某些功能基团，这类报告基因有β-半乳糖苷酶报告基因系统等；②使某种细胞表面膜受体过表达并与特殊磁共振造影剂结合，如通过特殊细胞膜受体与超顺磁性纳米铁颗粒（SPIO）结合成像；③在细胞内导入与铁代谢相关的基因使其蛋白高表达，这类是目前研究较多的报告基因，包括酪氨酸酶（tyrosinase）、转铁蛋白受体（transferrin receptor）和铁蛋白（ferritin）基因等。磁共振报告基因的研究已经有近20年历史，但该领域的研究仍然处于早期阶段，而能真正进入临床应用的尚无。这主要是由于目前使用的磁共振报告基因本身具有一定缺陷，如它的检测敏感性低，有的报告基因作用需要提供额外的反应底物，有些报告基因对于信号改变反应迟缓等。尽管如此，磁共振报告基因在细胞示踪、评价基因治疗和干细胞治疗疗效、观察蛋白质与蛋白质相互作用以及观察特殊代谢活性等方面具有非常重要的作用。另外，磁共振报告基因在成像的同时，还可以得到组织解剖和功能方面的信息，新型磁共振报告基因的研究已经成为一个非常活跃、发展迅速的科学研究领域（表3-2）。

一、酪氨酸激酶报告基因系统

黑色素可由各种细胞产生，其合成受酪氨酸酶（tyrosinase，TYE）基因调控，运用一种包含人TYE基因的表达载体，通过其对黑色素生成的诱导而使黑色素作为MR成像的一种检测基因表达的内源性造影剂，可以无创地直接显示基因表达。

人体黑色［Mel（b）］和浅棕色［Mel（1）］是黑色素细胞产生两种黑色素，即真黑素和褪黑素，其生成发生在特殊的细胞器，称黑色素小体。黑色素的生物合成是一个由TYE催化体内酪氨酸（tyrosine，Tyr）羟化而启动的一系列生化反应过程。

TYE报告基因系统是以TYE基因作为报告基因，通过分子生物学方法导入细胞内。TYE基因的表达增加会产生大量TYE，后者催化合成大量黑色素，这时黑色素螯合的金属离子增加，通过MR成像可活体检测与TYE基因相连的目的基因的表达情况。也可以通过合成的黑色素进行MR成像，分析黑色素螯合金属的能力和MRI弛豫率的关系，进一步对疾病模型进行定量研究。研究表明，溶液的MRI弛豫率的形成来自两个方面：相对强的“内部空间”弛豫率及相对弱的“外部空间”弛豫率。Atlas和Premkumar分别通过动物实验和临床研究及组织病理对照进一步证实，恶性黑色素瘤在MRI上表现为弛豫时间的增加，T₁值缩短及STIR序列中的低信号区与黑色素含量的增加相关，而与铁含量增加、具电子顺磁性的金属阳离子、肿瘤坏死的量和范围、肿瘤细胞类型及组织水含量无关。

体外报告基因诱导人类细胞时，可监视转基因细胞在体内的寿命或确定融合蛋白的表达、表达的水平及其分布情况，检测表达的持续时间及转染的状况。当TYE基因诱导黑色素产生后，MRI可用来检测黑色素细胞对顺磁性金属螯合而造成的T₁值缩短，由于转染细胞的信号强度与TYE报告基因的表达直接相关，从而高信号区可以反映报告基因的表达。新近的研究中将含TYE基因完全cDNA的pcD-NA3Tyr质粒转染到HepG2细胞，并在其中表达生成黑色素，亦造成MRI中T₁值的缩短，且T₁WI信号强度的变化与转染质粒量成正相关，进一步显示TYE基因是一种较理想的评价基因表达的MRI报告基因。

目前的研究表明，MRI可以显示TYE基因转染后的基因表达，TYE作为MRI的报告基因是可行的，但是MRI评价靶器官基因的转染仍需进一步的探讨。通过MRI检测合成的黑色素的方法有其优越性，一是MRI图像的清晰度较SPECT和PET高，有可能于动物或人体上获得清晰的解剖结构图像；二是黑色素在MR成像上的特点与大多数组织不同，在T₁WI表现为高信号，适用的范围很大。但此报告基因系统仍有需要完善。第三，证据显示黑色素在细胞质体达到一定的浓度后具有细胞毒性，因而需要构建嵌合体TYE蛋白而且定位于细胞膜外，形成细胞外黑色素的增加而降低细胞毒性。总之，确定新合成的黑色素确切的细胞内的位置（细胞溶质或溶酶体）及其细胞毒性，以及对基因治疗的影响仍需进行更多的定量研究，这些问题的解决仍需分子生物学与医学影像技术的不断发展。

二、β-半乳糖苷酶报告基因系统

β-半乳糖苷酶作为报告基因在基础研究中已得到广泛的应用，例如，以β-半乳糖苷酶的产生作为颜色筛选标记的载体，进行基因表达、药物筛选的检测，简化了筛选程序，提高了敏感性。首先构建一种载体（这类载体系统包括M13噬菌体、pUC质粒系统等），载体中含有抗生素抗性基因（如：Ampr基因），而外源片段上不带该基因，故转化受体菌后只有带有抗性基因阳性表达的转化子才能在含有Amp的LB平板上存活下来；而只带有自身环化的外源片段的转化子则不能存活。此为初步的抗性筛选。

载体上带有β-半乳糖苷酶基因（lacZ）的调控序列和β-半乳糖苷酶N端146个氨基酸的编码序列。这个编码区中插入了一个多克隆位点，但并没有破坏lacZ的阅读框架，不影响其正常功能。受体菌株带有β-半乳糖苷酶C端部分序列的编码信息。在各自独立的情况下，载体和受体菌编码的β-半乳糖苷酶的片段都没有酶活性。但在载体和受体菌融为一体时可形成具有酶活性的蛋白质。这种lacZ基因上缺失近操纵基因区段的突变体与带有完整的近操纵基因区段的β-半乳糖苷酸阴性突变体之间实现互补的现象叫α-互补。由α-互补产生的Lac +细菌较易识别，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（异丙基硫代-β-D-半乳糖苷）诱导形成蓝色菌落。当外源片段插入到载体质粒的多克隆位点上后会导致读码框架改变，表达蛋白失活，产生的氨基酸片段失去α-互补能力，因此在同样条件下含重组质粒的转化子在生色诱导培养基上只能形成白色菌落。在麦康凯培养基上，α-互补产生的Lac +细菌由于含β-半乳糖苷酶，能分解培养基中的乳糖，产生乳酸，使pH下降，因而产生红色菌落，而当外源片段插入后，失去α-互补能力，因而不产生β-半乳糖苷酶，无法分解培养基中的乳糖，菌落呈白色。由此可将重组质粒与自身环化的载体DNA分开，此为α-互补现象筛选。

β-半乳糖苷酶报告基因系统成像原理：以lacZ作为报告基因，通过基因工程方法与目的基因相连并导入细胞内，表达后引起β-半乳糖苷酶的增加，当靶细胞中存在较高浓度的EgadMe分子探针，β-半乳糖苷酶的水解作用会引起游离钆等顺磁性螯合物的增加，引起弛豫时间的改变而产生了MRI信号，由此也反映了目的基因的表达情况。

三、转铁蛋白受体报告基因系统

（一）转铁蛋白受体的结构、分布和功能

转铁蛋白受体（transferrin receptor，TfR）是一种位于细胞膜的跨膜糖蛋白，80%位于细胞内膜性结构上，20%位于细胞膜上。TfR的主要功能是实现Fe²⁺自细胞外向细胞内的转运。

应用转铁蛋白受体基因作为报告基因，用基因工程方法转导入靶细胞，由于转铁蛋白受体基因表达引起细胞上转铁蛋白受体增多，通过引入相应探针，可以监测靶细胞及目的基因的表达情况。

（二）TfR报告基因的报告探针合成

1.Tf-MION探针

由于合成条件的不同，形成的Tf-MION的大小也不相同。Tf-MION以TfR介导的细胞摄取符合受体-配体结合的特点，具有特异性。

2.抗TfR Ab-MION探针

抗TfR Ab-MION探针是抗TfR抗体与MION连接的复合物。

转铁蛋白受体介导的基因表达成像。在受体作为影像标记基因的研究中，研究最多的就是转铁蛋白受体，转染有转铁蛋白受体基因的细胞表面转铁蛋白受体过度表达，转铁蛋白与葡聚糖包裹的单晶体氧化铁（MION）结合后形成铁化合物，这种化合物可以通过转铁蛋白受体特异地进入细胞内，使转铁蛋白受体（TfR）表达越多的细胞内铁浓度越高。这样，在MRI上可显示转铁蛋白受体编码基因的表达及调控情况，同样这种方法也可应用于活体状态的转基因成像（图3-11）。

人转铁蛋白受体（human transferrin receptor，HTfR）的表达受细胞增殖的调节。恶性肿瘤细胞表面TfR的超量表达提示人转铁蛋白（Tf）作为抗肿瘤导向药物载体的可能性。分子影像学家希望通过探测转铁蛋白受体来早期发现肿瘤。目前的研究还处于试验阶段。在Moore的试验中，应用了基因工程修饰过的9L胶质瘤细胞系，这种细胞系可以稳定的表达三种转铁蛋白受体，Tf-MION（单晶体氧化铁）通过TfR特异性地进入细胞内，转染HTfR水平高的细胞与转染水平低或没转染HTfR细胞相比，MRI信号强度具有显著的区别。使TfR表达越多的细胞内铁浓度越高，MRI信号强度变化越明显，因此，根据MRI上信号的强弱的变化即可推断TfR编码基因的表达情况。

然而，由于应用的氧化铁剂量相对过高，从而需要用改良的MRI探针来监测在体（in vivo）基因表达的变化。Hogemann与Weissleder等介绍了一种用于MRI探测技术新的成像探针和改良的受体黏合物（binding），带有交联（cross-linked）右旋糖酐包被（dextran coat）的氧化铁纳米粒子通过连接分子N-琥珀酰胺3-（2-二硫吡啶）丙酸盐［N-succinimidyl 3-（2-pyridyldithio）propionate（SPDP）］与转铁蛋白结合生成Tf-S-S-CLIO。通过希夫碱（Schiff’s base，即伯胺与醛或酮形成的缩合产物）减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），改良的分子成像探针对于细胞的基因表达MR成像要比原来强16倍。这种新型的MRI探针会充分地增加体内探测的敏感性，增加少数细胞内基因诱导的转铁蛋白受体表达，还能显著地减少目前临床成像应用的氧化铁的成像剂量（大于100mg/kg）。

Weissleder等利用胶质肉瘤细胞被表达质粒中含有基因工程化的转铁蛋白受体（ETR）的cDNA稳定转染，过度表达使转铁蛋白受体蛋白质水平增加，导致细胞对超顺磁性单晶氧化铁纳米颗粒与转铁蛋白的结合物（Tf-MION）的结合与摄取明显增加，之后在裸鼠腹部两侧分别植入转染的ETR阳性细胞和对照转染的ETR阴性细胞，在植入后的第10～14天将Tf-MION注入裸鼠体内，具有ETR阳性的肿瘤和对照ETR阴性肿瘤的裸鼠活体MRI显示，ETR阳性肿瘤处Tf-MION的摄取明显增加，提示有ETR基因的表达。这一研究为MR受体基因表达成像的可行性提供了依据（图3-12）。

在众多不同的成像方式中，磁共振成像既有近细胞（25～50μm）的分辨率，也有对整体成像的能力。利用转铁蛋白受体作为报告基因进行分子成像还有一个优势就是，作为分子探针重要组成部分的超顺磁性纳米粒子有更高的敏感性。

四、肌酸激酶报告基因系统

肌酸激酶是一种ATP转移酶，存在于脑和肌肉内，而在肝脏、肾脏、胰腺中没有分布。肌酸激酶可催化其底物产生磷酸肌酸（Pcr），磷酸肌酸可用³¹P-MRS进行检测，Pcr波峰在0.3ppm处。

以肌酸激酶基因作为报告基因，用基因工程方法转导入靶细胞，表达产物为肌酸激酶，肌酸激酶可催化其底物产生磷酸肌酸（Pcr），通过³¹P-MRS就可以监测靶细胞的活动和目的基因的表达情况。

五、铁蛋白报告基因系统

铁蛋白广泛存在于动物细胞中，它与转铁蛋白、转铁蛋白受体等共同作用，维持细胞内铁稳态。在人体内，铁蛋白的主要功能是储存机体中过剩的铁，避免产生铁的中毒。铁蛋白在体内的表达可以摄取组织中过多的铁。各种因素导致的铁蛋白表达量的变化均可引起MRI信号改变，但铁蛋白在不同的组织中结合铁的能力是不同的，而且这种差异依赖于其结合铁离子的形式是在正常条件下还是在铁负荷条件下。有学者通过研究内源性铁蛋白在肝癌细胞中的表达与磁共振弛豫率的关系，发现铁蛋白表达水平与磁共振细胞成像信号强度呈负相关。大量体内、外研究表明铁蛋白的表达可以缩短MRI的T₂弛豫时间，但不同组织内铁蛋白表达量的差异和不同场强以及铁的负荷条件等都会影响铁蛋白所导致的MRI信号强度。

组织中铁蛋白表达的增加可以导致MRI的横向弛豫时间的增加，使T₂值缩短，并且在相应的MR成像上表现为低信号区。因此，铁蛋白可以作为一种较为理想的MRI内源性造影剂。

铁蛋白基因作内源性报告基因的几种方式：①铁蛋白H链转染细胞；②铁蛋白H链和I链共转染细胞；③转铁蛋白受体和铁蛋白H链共转染细胞。

2005年美国学者Genove G等及以色列学者Cohen B等两个独立研究小组几乎同时报道了铁蛋白作为磁共振报告基因，证实铁蛋白基因作为磁共振报告基因可以进行细胞和活体成像。两年后，Cohen等在Nature Medicine上又报道了他们在利用铁蛋白重链基因质粒构建的转基因小鼠的肝脏、子宫和内皮细胞中，通过磁共振检测到了铁蛋白重链基因的高表达。虽然两个研究小组都证实了铁蛋白基因作为磁共振报告基因，但他们使用的实验方法略有不同。

两个独立研究小组的实验结果显示，铁蛋白基因转染细胞后，对于细胞的生长没有明显影响，不产生其他毒性作用。利用铁蛋白重链基因转染细胞，或者重链和轻链基因同时转染细胞都可以通过磁共振扫描检测到高表达的信号。为了提高铁蛋白在磁共振扫描时的信号强度，一些研究小组正在利用突变的铁蛋白轻链基因转染细胞，已经取得一定效果。

铁蛋白磁共振报告基因在基因治疗以及其他研究方面可能具有一定的应用前景。

基因治疗：MRI报告基因的应用有助于监测治疗基因的准确导入，通过评价报告基因的表达可间接评价治疗基因表达的位置、幅度及持续时间等信息，无疑在人类基因治疗效果的监控及评价方面有明显优势。铁蛋白报告基因在基因治疗中有两方面的应用可能：①铁蛋白报告基因本身作为治疗基因；②减少游离的Fe²⁺参与自由基的生成过程，减弱了自由基生成的级联反应。

铁蛋白报告基因和其他治疗基因的耦合。通过耦合作用，铁蛋白的报告基因可以动态的监测腺病毒，反转录病毒，慢病毒所携带的治疗基因，通过对治疗基因载体的位点、转基因表达的程度和持续时间成像，定量地监测治疗基因载体的靶向性和转导的有效性。

内源性基因表达的成像：将铁蛋白基因和靶基因共同转染细胞，构建稳定表达的细胞株，通过一系列体外实验观察靶基因对细胞生物学特性的影响，再将转染的细胞接种动物，磁共振追踪细胞在体内的情况，进一步了解活体情况下基因表达的部位和功能。研究显示利用MRI可以监测由四环素（TET）调控的增强绿色荧光蛋白（EGFP）基因和铁蛋白标记的流感病毒血凝素的基因表达。双报告基因构建体的应用为内源性基因提供了表达多模式活体成像的机会，有利于监控和评价靶基因的表达在疾病中的作用，比较不同影像技术所获得的图像，综合分析靶基因表达的部位和功能。

第六节　磁共振分子成像的应用概况

磁共振现象被发现以来，其发展是十分迅速的，特别是1990年Weissleder的研究中心在研究了超顺磁性纳米粒子（USPIO）可穿过毛细血管内皮后，应用阿拉伯半乳聚糖（AG）包裹的USPIO，在脱唾液酸糖蛋白受体（ASG）导向下对肝脏进行MR特定成像，开始了MR分子成像的研究；2000年，报道了利用MRI绘制基因表达图谱；2002年，确认了以MRI为基础的分子诊断工具的前景（图3-13）。

磁共振分子成像主要应用在：①基因表达与基因治疗成像；②分子水平定量评价肿瘤的血管生成；③疾病的早期诊断、疾病治疗效果监测；④活体细胞及分子水平的显微成像等方面。

一、基因分析及基因治疗

在临床医学研究领域，基因治疗被认为是肿瘤治疗中最具有潜力、最可能发生革命性变化的领域，基因转染和表达是其中的主要技术手段。应用磁共振报告基因成像可将目的基因和报告基因拼接起来，可以通过监测报告基因来判断目的基因的存在情况。磁共振分子成像在基因水平上，因其空间分辨率高于PET等成像技术，且能同时获得生理与解剖信息，因而多应用于基因传递、基因表达、基因治疗效果的监测。具体地说，应用磁共振报告基因成像来示踪载体（包括载体干细胞），显示载体的分布情况；监测转染的目的基因是否在靶器官成功表达、判断其表达的水平及其分布情况，观察表达的持续时间及追踪能否遗传等。另外，它的应用将增加对基因转染过程的了解，这种了解对基因治疗的发展和完善极为重要。

在以MRI为成像方法的报告基因技术中，第一类标记基因编码产物为酶类，包括有：酪氨酸酶、β-半乳糖苷酶、胞嘧啶脱氨酶、精氨酸激酶、肌酸酐激酶。这种方法开发了特定酶修改成像药物前体（prodrugs）的能力，即将探针（含酶底物）修饰成药物前体，经特定的酶催化，将药物释放出来，通过药物在组织中的积聚反映出目的基因的表达。第二类标记基因编码产物为受体，主要为转铁蛋白受体，通过转铁蛋白受体探针进行探测。

磁共振基因成像是继放射性核素基因成像之后出现的新的无创性技术，其突出的特点是具有更高的空间分辨率（spatial resolution），可以进行反复的动态观察。其潜在应用包括：①明确基因转染是否成功；②定位靶组织内的基因分布是否合适；③评估靶细胞的基因表达水平。

二、肿瘤的早期诊断

磁共振分子成像可在体内直接监测疾病的起因、发生、发展及一系列的病理生理变化，更可以实现肿瘤的早期诊断。

肿瘤细胞分子在出现肿块的6年前即已发生改变，如果能早期探测到分子的异常，则对预防治疗有一定的意义。

（一）转铁蛋白受体

转铁蛋白受体（TfR）在肿瘤早期发现方面的潜在应用价值受到越来越多的关注。目前已经通过动物试验实现转铁蛋白（Tf）修饰的葡聚糖包裹单晶体氧化铁（MION）作为探针，对肿瘤进行转铁蛋白受体成像。

（二）酶的改变

某些肿瘤与一些酶的改变有关，如乳腺癌、前列腺癌与组织蛋白酶的改变有关，通过MR分子影像学方法测定相关的酶，可对其进行早期诊断。

利用MR分子成像可在肿瘤治疗前提供更加确切的治疗范围，指导临床外科手术方案的确定。例如：现阶段在手术中用磁共振来确定大脑肿瘤的切除范围，但外科手术本身会导致颅内造影剂的扩散，这样肿瘤的切除范围会扩大，可以用MRI分子探针对肿瘤进行标记来解决以上问题。

三、监测新生血管生成

血管生成包括血管网的生长及重塑，与肿瘤的发生关系密切。研究发现，血管生成的抑制与增强与多种疾病密切相关，如某些癌症、免疫性疾病和糖尿病等。

MR分子成像有许多监测血管生成的办法。目前，监测肿瘤血管生成最引人注目的方法是以与肿瘤血管生成密切相关的新生血管内皮细胞的表达物为靶目标进行成像。常用的有以α_Vβ₃整合素为成像靶点的MR分子成像。将造影剂与α_Vβ₃整合素的抗体连接后，可与α_Vβ₃整合素结合，并可将新生血管与原有宿主血管分开，定量分析新生血管的结构和功能情况，还可确定血管生成抑制因子及刺激因子在时间及空间上的分布，并对其进行长期无创伤的监测，而且这种特异性造影剂经过修饰后可转变成具有治疗性的物质，这样就使治疗和诊断合二为一。

与此同时，在肿瘤血管生成方面也可进行外源性基因的表达成像。由于肿瘤血管生成过程中新生血管的某些特征性标记物（如多聚赖氨酸受体）水平上调，将造影剂与一些配体（如多聚赖氨酸）连接后即可与这些标记物特异性结合。Kayyem等合成了一种偶联多聚赖氨酸的特殊配体分子，它两端分别连接治疗基因和MRI造影剂，可与细胞表面受体或抗原特异性结合，把所连接的治疗基因、MRI造影剂同时导入到特定细胞内，通过MRI的强化程度即可直接判断目的基因的转染情况，不需要另外再连接报告基因，这样既可将新生血管与原有宿主血管分开，定量分析新生血管的结构和功能情况，还可以确定、监测血管生成抑制因子及刺激因子在时间及空间上的分布。经过修饰后的特异性造影剂还可转变成具有治疗作用的物质，使治疗和诊断合二为一。目前，上述特异性造影剂如钆离子标记的多聚脂质体已经接近临床应用。

四、监测细胞凋亡

凋亡细胞表面有特征性高表达的磷脂酰丝氨酸，膜联蛋白Ⅴ可以与磷脂酰丝氨酸特异性识别并结合。应用交联氧化铁（CLIO）纳米粒子标记膜联蛋白Ⅴ可合成分子探针，研究表明，通过二硫化物，每一CLIO纳米粒子平均可连接2.7个膜联蛋白Ⅴ蛋白质分子。人们在实验中发现，膜联蛋白Ⅴ-CLIO即使在磁性底物的最低浓度时也可通过MRI来有效地辨认含有凋亡细胞的细胞悬浮液，所以此探针通过MRI可探测细胞凋亡的情况。

五、肿瘤治疗疗效评估

利用MR分子成像可在肿瘤治疗的极早期就可对其疗效进行评价，而不是在多个疗程后复查肿瘤的大小以及评估治疗效果。例如：利用MR分子成像手段监测肿瘤细胞凋亡、肿瘤血管生成情况来判断肿瘤治疗效果。

六、血栓靶向性成像

目前，已经国外成功合成血栓靶向MR分子成像探针Ep-2104R，是由脂质包裹的氟碳乳液颗粒构成，表面结合Gd和与纤维蛋白特异性结合的肽段。可通过与血栓中纤维蛋白结合，实现对血栓的直接成像。

七、MRI细胞示踪

细胞治疗是现代医学治疗技术的重要组成部分。细胞治疗广泛开展后，如何无创伤性地在活体内动态监测细胞的迁移、生存状态一直是困扰医学科研工作者的难题，也是近几年研究工作的热点。能否在细胞分子水平对活体细胞的分布、增殖、迁徙进行评价是影响治疗成败的关键因素。

分子影像学是目前可以在活体状态下在细胞和分子水平对生物过程进行定性和定量研究的唯一手段，它在移植细胞的功能研究中发挥独特的作用，目前有关这方面的研究还仅处于初级动物试验阶段。已有不少学者将分子MRI应用于细胞移植，但主要是用于移植细胞的示踪上，观察到了移植细胞的存活，在器官内的迁移路径，对于存在部位进行了较准确地定位，并应用弛豫率（R₂^*）值进行定量分析。迄今为止，国内外体外及大量的动物体内实验也已证明，细胞移植治疗终末期器官功能衰竭所涉及神经干细胞、神经前体细胞、骨髓间充质干细胞等，均可被SPIO的各种衍生物得到有效标记，活体内能够导致充分的MRI信号改变，从而得到了满意的MR示踪成像结果，并已经过组织病理学证实。Moore研究组以及Evgenov，Natalia研究小组等利用纳米铁氧微粒体外标记胰岛细胞，再将标记好的胰岛细胞移植到动物模型体内，发现MRI可以检测到存活的胰岛细胞。近年来，也有学者开始将MRI应用于器官和细胞移植后的免疫排斥反应的研究，希望找到一种无创、可重复性强的免疫排斥检测方法。Zhang Y等通过SPIO对巨噬细胞进行内标记，在排斥反应发生时监测到大多数巨噬细胞在排斥反应局部聚集，局部MRI信号降低。但大多数学者的研究领域主要集中在对巨噬细胞迁徙的研究上，通过巨噬细胞的胞吞作用对其进行SPIO内标记，在排斥反应发生时可以监测到大多数巨噬细胞在排斥反应局部聚集，局部MRI信号降低；由于巨噬细胞本身缺乏特异性，局部的普通炎症反应也可引起聚集，因而，临床应用受到了限制。

在基础研究中，分子影像学作为一个良好的研究平台，可以实时、无创、连续多次的观察活体内的生物过程，与常规体外和细胞培养技术相比具有明显优势，为细胞示踪术的发展提供了充足的技术保障，从而开创了分子影像学与细胞治疗相结合的新局面。

（一）MRI分子影像学及细胞成像的条件

Weissleder 1999年对分子影像学的定义，它的成像技术主要包括磁共振成像（MRI）、核医学及光学成像技术，不同的成像手段各有其优缺点。其中分子MRI成像具有高分辨力（已达到μm级）、高穿透深度及良好的软组织对比度，同时可获得解剖及生理学信息，且为非创伤性技术，为细胞水平的成像提供了充足的技术保障，在活体细胞的示踪中前景看好。但它主要的不足是敏感性相对较低，对脑内神经递质和受体的显示一般只能达到10⁸摩尔浓度，而且成像分辨力远远达不到单个细胞成像的程度。

如何提高其现象敏感性，以达到分子成像的要求，需具备以下条件：

（1）高特异性高亲和力的影像学探针（这些探针可以是小分子，例如配体或酶的底物；也可以是大分子亲和配体），且该探针在体内有合理的药代动力学行为。

（2）探针能通过生物性迁移屏障（如血管、组织间隙、细胞膜）标记于细胞表面或进入细胞内。

（3）适当的信号放大策略，能被影像系统监测到。

（4）高分辨率、快速、灵敏的影像监测系统。

其中，合适的分子探针（或造影剂）是开展MRI分子影像学细胞示踪研究的先决条件，只有借助探针，通过靶向结合或酶学激活原理及适当的扩增策略放大信号，才能运用高分辨力的MR成像系统检测到信号改变，从而间接反映细胞或分子的信息。

（二）细胞示踪中常见的MRI探针

在分子影像学中，成像效果好的探针要求分子量要小，对细胞表面和细胞内的相同的靶生物分子的结合不存在倾向性差异；与靶分子有高度的亲和力，而与非靶分子亲和力低，能特异性结合；靶与背景率要大于1，能反映活体内靶分子的含量；能迅速穿过细胞膜顺利到达目的地，在活体内相对稳定，半衰期长，不能被机体迅速代谢，但在血液循环中又有适当的清除期，既能与靶分子充分结合又不会有高的血“本底”；无细胞毒性，不会引起机体明显的免疫反应或其他不良反应。

分子水平的MR成像是建立在传统成像技术基础上，以特殊分子作为成像对象，其根本宗旨是将非特异性物理成像转为特异性分子成像。MRI造影剂的有效时间较长，可观察细胞的动态迁徙过程，且空间、时间分辨力高，对比度好，故在活体细胞的示踪中有良好的前景。但MRI的检测敏感性较核医学及光学成像技术低几个数量级，因此需要大量的造影剂在靶组织内聚集。

目前已开发的MRI分子探针主要是一些顺磁性物质，常见用于细胞标记的是以下两种：

（1）钆类：

以钆为基础的顺磁性分子探针，能产生T₁WI阳性信号对比，已证实钆为基础的可激活探针进行基因表达成像的可行性。但以钆为基础的顺磁性分子探针在分子水平成像所需要的浓度较高，而且技术上难度较大，故应用较少。

（2）氧化铁纳米粒子：

以氧化铁为基础的T₂WI造影剂，可以为单晶体，也可以是涂有多糖的多晶体。这些氧化铁微粒由涂层的晶体氧化铁核心构成，每个粒子含有上千个铁原子，主要影响局部磁场均匀性，在较弱的磁场中，磁化中心即按外加磁场排列获得巨大的磁矩，同时产生磁化率效应（susceptibility effect），从而加速共振质子的失相位，当这些磁性微感受器聚集在一起时，周围水分子的自旋—自旋弛豫时间（T₂WI）降低，因此可用MRI检测到这些信号改变。其特点是颗粒小、穿透性强且弛豫率约为同样条件下Gd³⁺的7～10倍，在很低浓度条件下即可在MRI上形成对比，同时具有生物可降解性，并且在被细胞代谢后可进入正常血浆铁池，安全性高，实验室研究的结果也表明超顺磁性物质转染后标记的细胞不存在近期和远期毒副作用，包括细胞活性、功能、增殖能力、分化能力、凋亡率、氧自由基生成情况，是一种安全、有效、特异性高的分子探针。

目前常用的是超顺磁性氧化铁颗粒（superparamagnetic iron oxide，SPIO）、超小顺磁性氧化铁颗粒（ultrasmall superparamagnetic iron oxide，USPIO）和单晶体氧化铁颗粒（monocrystalline iron oxide nanocompounds，MION）等。SPIO 直径30～1 000nm不等，由Fe₃O₄和Fe₂O₃组成，外包碳氧葡聚糖，其氧化铁核心由若干个单晶体构成。USPIOs最大直径不超过30nm，平均20nm左右。这种氧化铁纳米粒子中心是氧化铁，外周由葡聚糖包裹，具有对外加磁场敏感性高，在较弱的磁场中，磁化中心即按外加磁场排列获得巨大的磁矩，撤除外加磁场后无净剩磁的特点。超顺磁性氧化铁的颗粒大小对其进入单核-吞噬细胞系统的部位有较大影响，一般直径较大的SPIOs主要为肝、脾的单核-吞噬细胞系统所摄入，而USPIOs颗粒小，主要进入淋巴结组织及骨髓组织中。Daldrup-Link等的研究结果表明，SPIO颗粒的血中清除率太快，不适合作为标记组织血管特征的探针，而USPIO的半衰期较长（1～3小时），增强效果明显，适合作为分子探针。MION的核心是单晶氧化铁，直径为5nm，外围被几纳米厚度的右旋糖酐包裹，MION颗粒的整个大小与一些蛋白分子（相对分子质量约为775 000）相近。由于MION具有良好的生物学相容性，易于跨膜转运、合成、纯化和筛选工艺比较成熟及对MRI弛豫的影响已被研究清楚等优点，MION被广泛应用于分子成像中。

（三）MRI分子探针标记细胞的方法及其发展过程

由于细胞膜、氧化铁颗粒都带负电荷，会影响细胞对这些颗粒的摄取，不能单独有效地标记非巨噬细胞，因此必须采取特异方法对氧化铁颗粒进行一定的修饰才能有效标记需要的细胞。近年来出现了各种针对MRI的分子探针，利用抗体或一些短肽作为纳米微粒与细胞表面及细胞内特异物质间的连接物，将介导纳米微粒与细胞结合，利用MRI对其进行探测，可以做到活体、特异、灵敏、清晰地检测到靶向分子局部的MRI信号变化，间接地反映该类分子在病变局部的表达水平，图像分辨率高。

磁性造影剂标记细胞的研究大体上经历了三个阶段：第一个阶段是萌芽期，把结合的SPIO的某种组织直接移植给动物的相应部位以观察组织学变化。第二阶段才算是真正的标记细胞阶段，在体外用SPIO对细胞进行磁性标记，可观察到细胞的存活情况、在器官内的迁移路径，对于存在部位进行了较准确的定位，并应用弛豫率（R₂^*）值进行定量分析。磁性SPIO微粒通过非特异性膜表面吸收过程进入细胞内，标记细胞的增殖、分化能力不受影响。第三阶段：对细胞进行基因修饰后，把基因工程细胞进行磁性标记，并将标记的转基因细胞移植到动物体内，既可达到替代病变细胞进行治疗的目的，同时可解决移植细胞在活体内被MRI示踪的一个难题。

（四）MRI分子影像学细胞示踪术发展的现状及前景

美国与欧盟先后启动了分子影像学研究计划，甚至认为该计划是继人类基因组计划完成后的又一重大医学研究领域。自2000年以来，美国国立卫生研究院（NIH）就确定了分子影像学为医学影像学的研究前沿，其中包括了影像学的示踪研究。我国影像学界（尤其是传统的放射学界）在这方面虽然起步较晚，但发展较快，目前细胞标记主要集中于干细胞及肿瘤细胞方面，逐渐形成了MRI活体示踪干细胞的研究这一热点，仅国家自然科学基金2003—2004年的面上项目就已资助7项相关课题。MRI可以标记多种哺乳动物细胞，最初标记淋巴细胞、白细胞、单核细胞，现在已标记的细胞有神经祖细胞、脐血干细胞、间质干细胞及一些肿瘤细胞，其中贴壁生长细胞（如人骨髓间质干细胞、宫颈癌Hela细胞、恒河猴胚胎干细胞等）及悬浮生长细胞（如小细胞肺癌细胞、人骨髓源性神经能细胞）均可。干细胞标记后MRI示踪已成功应用于内皮细胞、神经细胞、心肌细胞的多种动物模型中。滕皋军等研究认为，粒径为15nm多聚左旋赖氨酸修饰的SPIO对脐血干细胞的标记率接近100%。Fe₂O₃-arginine可以有效标记EPCs构建纳米生物探针，临床应用型1.5T MRI可在体外进行标记细胞群成像。最近也被应用于肝脏、肾脏、肌肉等领域。在肝癌Hab18G分子成像研究方面，国内取得了一定进展。容鹏飞等利用人清蛋白对纳米Fe₃O₄微粒进行表面修饰，制成超顺磁性Fe₃O₄纳米微粒（SPIO），探讨了超顺磁性Fe₃O₄纳米微粒对肝细胞癌的显示能力，认为SPIO对微小肝癌的显示能力优于Gd-DTPA，接近病理检查显示水平。

目前磁性造影剂标记细胞的研究已经取得了较大的进展，通过分子影像学手段，如将磁性粒子与抗体/受体结合，通过细胞表面相应的受体使磁性粒子进入细胞内与细胞某些结构或分子结合，作为特异性细胞成像的标记物，用多种手段能显示标记细胞的分化、转归等过程。王维团队通过结合了T细胞抗体的纳米生物探针（USPIO）的MR成像特异性探测移植早期异种胰岛移植局部CD4⁺ T淋巴细胞的聚集情况，实时、客观、准确、无创性地反映异种胰岛细胞移植免疫排斥反应局部的组织变化，为MR分子影像学方法检测早期排斥反应提供了新的思路和平台。

但是，对于MRI细胞示踪仍有许多问题需要进一步深入研究，例如MRI示踪中造影剂会随着细胞分裂而稀释，在监测标记细胞的分化方面尚存在一定不足，而且研究范围较局限。不过，可以相信随着相应造影剂的研究开发、标记细胞及其分化后细胞特异性生物标志的筛选，以及相关研究的不断深入，在不久的将来MRI分子影像学技术活体示踪将成为无创性细胞示踪的主要手段。随着分子影像学技术的不断发展，其在细胞治疗的研究与应用中会发挥越来越重要的作用，将进一步模糊治疗学与诊断学的界限。

八、PET/MR分子成像技术的临床应用现状

（一）PET/MR在乳腺癌中的应用

全身PET/MR和¹⁸F-FDG PET/MR乳腺检查可能成为乳腺癌分期、再分期，监测疗效的精确手段。评估原发肿瘤需要对乳腺成像有经验的放射科医生，尤其避免假阳性诊断。评估腋窝情况仍然需要有创的分期检查，但¹⁸F-FDG PET/MR能够帮助筛选需要进行前哨淋巴结活检或腋窝淋巴结清扫的患者，¹⁸F-FDG-PET/MR评估远处转移优于其他检查方法，因为PET/MR能够很好地显示乳腺癌远处转移的典型改变，初步研究已经证实了PET/MR的价值，此外，PET/MR能够准确进行再分期及早期疗效监测。

（二）PET/MR在评估淋巴瘤中的应用

一体化和分体式PET/MR在淋巴瘤评估中的初步应用，取得了令人期待的结果，但目前仅限于对肿瘤患者的简单分析，而且仅为小样本的初步数据。PET和MRI检查对淋巴瘤的评估各有其独特优势，但PET/MR对临床不同淋巴瘤的价值尚需要进一步研究。

¹⁸F-FDG以外的其他放射性示踪剂对淋巴瘤的价值有待研究，今后PET/MR研究热点为通过两种检查信息互补，提高对中枢神经系统淋巴瘤诊断和分期的准确性，明确诊断骨髓侵犯和淋巴结外组织淋巴瘤，这些临床应用研究需要进一步探索。目前初步研究提示PET/MR取代PET/CT评估淋巴瘤，能够降低辐射剂量，尤其适用于需要进行治疗后随访的患者和儿童。

（三）PET/MR在肝脏的应用

原发结直肠癌、乳腺癌、黑色素瘤或其他肿瘤发生肝转移，MRI检查能够明确诊断；同时PET检查可以筛查肝外转移灶。肝脏原发肿瘤患者，进行MRI多参数成像与PET多种示踪剂成像技术联合检查，不仅能诊断肿瘤的分型，而且能够全面评价治疗反应和筛查病变复发。PET/MR是一种新兴技术，虽然初步研究表明其临床应用功能具有巨大潜力，但仍需要进一步研究探讨其价值和成本收益。

（四）PET/MR在结直肠癌的应用

PET/MR对结直肠癌的诊断优势和益处显而易见，与常规影像学检查比较。至少有以下三点优势：

1.提高直肠局灶性病变的诊断准确性。MRI检查弥补了PET难以显示小病灶的局限性，另外，PET/CT显示为非特异性轻度摄取的小病灶，MRI检查有助于提高对这种不典型表现病灶的诊断。

2.提高可疑淋巴结转移的诊断。

3.提高治疗后残余肿瘤的诊断。ADC和PET信息相结合是评估治疗反应的强有力工具，较单一检查的诊断能力明显提高。

随着结直肠癌创新性治疗方法的开展应用，影像学面临的挑战是如何为反映这些方法的有效性提供证据。血管抑制剂治疗逐渐对结直肠癌发挥重要作用，除了单纯提供形态学改变信息以外，如何阐明、量化和解释治疗效果，是影像学的主要任务。PET的新型示踪剂已经显示抗血管生成药物有临床疗效，然而这些结果如何与MRI进行结合，尚有待确定。因此，PET/MR是最理想和全面的成像手段，其辐射剂量小，能够进行多次检查以评估治疗反应，但目前PET/MR的作用和价值需要进一步证实。各种新型示踪剂的研发有助于提高PET对结直肠癌的价值，探讨新型预测因子、生物标记物、参数和测量，将使结直肠癌患者的影像诊断信息更加全面。

（五）PET/MR在颅脑的应用

新型一体化PET/MR技术可以实现结构、功能和分子影像数据在空间和时间的最佳配准，这种实时、高分辨率的多参数成像，不仅有助于提高临床对脑疾病的评估水平，而且为中枢神经系统研究提供新方法。一体化PET/MR在脑成像有着无与伦比的优势，对痴呆、退行性疾病、癫痫、脑肿瘤、脑血管病及炎性病变均有良好的诊断应用价值。这种多参数综合评估模式，可以优化代谢和功能数据的部分容积校正，有利于动态数据的建模。PET/MR有助于理解复杂的代谢过程，深入探讨脑功能和结构的关系。

一体化小动物PET/MR设备为动物实验分子、细胞成像提供了新方法，一体化人体的PET/MR对基础研究成果及疾病治疗新方法的转化具有重要价值。目前应用PET/MR同时评价多种参数是研究的热点：

1.将目标基因以不同载体转染至特定细胞，诱导外源性酶的表达。外源性酶的表达可提高诱导细胞对特异性药物的易感性，转化为有细胞毒性的化合物。这种方法应用于实验性治疗胶质母细胞瘤，通过单纯疱疹病毒胸苷激酶基因，使肿瘤对更昔洛韦易感。PET/MR可以用于研究转染基因的表达及其对肿瘤代谢、生长的影响。

2.一体化PET/MR能够显示移植细胞活性、分化及其对神经网络的影响。胚胎干细胞可治疗脑疾病，如纹状体损毁，PET/MR显示多巴胺细胞的增殖和分化以及特异性多巴胺转运配体，如果多巴胺释放导致苯丙胺应答反应，引起rCBV增高，提示移植细胞的功能活性恢复。

3.细胞替代方法治疗神经系统疾病，如缺血性脑卒中，此方法关键是需要定位和监测移植干细胞或祖细胞的迁移，很多方法可以标记这些细胞，从而能够进行MRI显像，如氧化铁颗粒，MRI可以显示细胞迁移至损伤半球脑病变的周围，PET能够显示细胞活性和功能网络重组。通过PET/MR检测标记细胞的活性、迁移及功能网络充足，有望使依赖胚胎移植治疗脑疾病成为可能。

一体化PET/MR成像为临床评估脑疾病提供了新方法。MRI和PET对神经精神疾病的诊断有重要价值，因此，一体化PET/MR可以使脑疾病的诊断成为病理诊断，与单独PET或MRI检查比较，PET/MR可以提高诊断水平，使工作效率最优化，增加患者检查的舒适度。总之，一体化PET/MR将最终促成一种新的诊断报告模式，包括两种检查技术的结果和诊断，会明显提高诊断质量，避免给临床提供不一致的影像诊断报告。在科研方面，PET/MR有助于提高我们对健康大脑生理功能的理解，为研究人类和小动物的中枢神经系统，不同指标之间的病理生理相互联系提供了新思路。

（六）PET/MR在心脏的应用

心肌活性成像是晚期冠心病、早期或晚期心衰患者的常规检查，目的是区分低灌注但有活力的心肌组织和灌注贫乏的无活力心肌，前者可以从有创血管再通治疗受益，后者介入治疗无效。¹⁸F-FDG PET是诊断的“金标准”，理想情况下心肌灌注（如¹³N-氨示踪剂）和¹⁸F-FDG葡萄糖代谢显像检查应该使用高胰岛素-正常葡萄糖钳夹技术。理论上缺氧或缺血导致心肌代谢改变，利用游离脂肪酸转化为葡萄糖，而且心肌受损严重程度与长期预后密切相关。该方法可以将心肌组织分为正常、部分存活、完全无存活，但PET分辨率低，MRI可以提供有价值信息。融合成像的重要价值在于能够在血管再通之前，发现虽然心肌收缩没有改善，但仍然存在有活力的心肌组织。

临床广泛应用的心脏核医学检查是发现或排除冠心病的血流动力学异常的有效手段，PET敏感性和特异性约90%，能够定量评估患者预后，指导临床治疗。一体化PET/MR检查首次实现了在同样生理条件下（静息或负荷），比较PET和MRI两种检查的心肌血流表现，除了进行验证研究，还可以将MRI信息如形态学（MRI冠状动脉造影）、室壁厚度、瘢痕（LGE）与PET功能信息相结合，有助于提高对心肌组织病变的显示。

小 结

分子水平的MR成像是建立在传统成像技术基础上，以特殊分子或细胞作为成像对象，其根本宗旨是将非特异性地物理成像转为特异性的分子成像。由于MRI具有高时间、空间分辨率，高穿透深度及良好的软组织对比度，可同时获得解剖及生理信息，并且无创伤性可反复应用等优点，使其成为分子影像学研究的重要组成部分。目前，磁共振分子成像已开始应用于基础及临床医学研究领域并取得突破性进展，包括在神经科学的脑分子功能成像、肿瘤的磁共振分子显像、MR心脏显像及其他疾病的磁共振分子成像中，且在基因分析、疗效评估以及活体细胞的示踪研究上显示出良好的应用前景。由于其检测敏感性仍较核医学及光学成像技术低等原因，目前所使用的磁共振造影剂及报告基因本身存在一定缺陷，研究范围相对局限，因此，MR分子成像目前尚处于基础与临床前研究阶段。但随着分子生物学理论技术的不断进步，具有高特异性、高亲和力MRI探针的研发及高分辨的、快速、灵敏的MR成像系统的出现，磁共振分子成像也将不断发展深入，并成为探讨疾病发病机制、评价治疗效果的重要手段。

一体化PET/MR的出现使得MRI的临床研究也进入到分子水平阶段，随着一体化PET/MR在全身各系统的应用功能探索，分子影像学也进入到了一个新平台，新阶段。

（卜丽红　冯洪燕　涂　宁）

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