分子影像学在神经胶质瘤的诊断与治疗中的应用
【摘要】 分子影像学是医学影像技术和分子生物学相结合的学科，利用现有的一些医学影像技术，如核医学（PET）、核磁共振（MRI）和光学成像方法（OCT），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，对神经胶质瘤的诊断和是分子影像学研究的一大方面，全文就分子影像学的原理及技术、分子影像学在胶质瘤诊疗中的应用加以综述。
【关键词】 分子影像学 肿瘤 胶质瘤
Abstract: Molecular imaging is a combination of medical imaging technique and molecular biology. It is a noninvasive and real?鄄time imaging on molecule level of the physiological and pathological process inside the human body by using advanced imaging technique, such as positron emission tomography(PET),magnetic resonance imaging(MRI) and optical coherence tomography(OCT). The application to the diagnosis and treatment for gliomas is one of the most important aspects that molecular imaging concerned. In this article, the principle and the technique of molecular imaging, the applications of molecular imaging to the diagnosis and treatment for gliomas are reviewed.
Key words: molecular imaging; neoplasms; glioma
Lenin在20世纪早期曾断言[1]：人们只有打破鸡蛋才能做煎蛋卷，同样，人类医学史上，以前人们也认为只有打开人体取出组织才能探测到人体内部的微观变化，然而这样的时代已经过去了。近几十年来，医学影像技术得到了长足的，随着影像设备的不断改进，一些显示系统已经达到了微观水平，这些技术上的进步，就使以前的分子离体显示形成现在的分子在体显像，即分子影像学。分子影像学是医学影像技术和分子生物学相结合的新学科，分子影像技术是利用现有的一些医学影像技术，主要是核医学（positron emission tomography，PET），核磁共振（magnetic resonance imaging，MRI）和光学成像方法（optical coherence tomography，OCT），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。这一技术不同于经典的影像学，它是应用探针探测分子的异常，而不是获取分子改变的结局。正因为它是探测分子事件的过程，而不是结果，所以分子影像有助于了解人体目前分子生物学技术正在研究的疾病发生的启动阶段、前期发病过程中的各阶段的及疾病形成的分子表达，同时也可以在分子水平了解各种治疗的反应，进而有助于认识疾病机制，提高诊治水平。
分子影像技术有三个关键因素，第一是高特异性的分子探针，第二是合适的信号放大技术，第三就是能灵敏地获得高分辨力图像的探测系统。
1 分子影像技术的探测方法
分子影像技术主要的探测方法有三种：核探测方法，核磁共振方法和光学方法。这些方法在探测灵敏度、空间分辨率、时间分辨率等性能方面各有优缺点，应视需要解决的问题来选择。
1.1 核医学成像技术
核医学成像技术是目前分子成像中最为活跃的部分，主要包括PET、SPECT(single photon emission computed tomography)、Plannar成像。其中PET目前应用最广，基本原理是在体内引入一种直接或间接参与体内生化过程的放射性示踪剂，并用PET等仪器在体外加以显像，PET常用的放射性示踪剂有11C、13N、15O和18F等。该种成像技术广泛应用于肿瘤学、神经病学、精神病学、心脏病学和基因学的临床基础研究。在肿瘤的诊断和治疗过程中，需要标记的生化分子必然是某种肿瘤具有特异性显像能力的物质分子，这种分子或者和基因组中的某个功能团或者与基因片段的配体具有特殊的亲和力。通过放射性核素标记过的生化物质在人体内的分布，用模型的方法对这种分布进行解释，用统计学的方法进行进一步分析，有可能得到对肿瘤诊断和治疗有用的信息和。
1.2 MRI分子成像技术
用MRI对基因表达和成像的主要优点是其空间分辨率高于PET，且能同时获取生理与解剖信息，而有望在基因表达及分子成像中发挥重要作用，现有的磁共振分子影像技术主要包括功能磁共振（functional MRI，fMRI）和核磁共振波谱（magnetic resonance spectroscopy，MRS）。其中fMRI包括灌注成像、扩散成像、局部血容积、局部脑血流和血氧水平依赖性对比度成像（blood oxygen level depended functional imaging，BOLD）等[2]。
1.3 光学成像技术
体内基因表达的光学成像方法，包括荧光、光吸引、反射或利用生物发光作为对比剂，成像系统可基于弥散的光学图，以表面为主的光学成像、相控矩阵光检测、同焦点成像、多光子成像、活体内显微镜下显微成像等。
分子影像技术在疾病早期诊断和治疗以及研究疾病发生和发展的生物学特性方面有重要作用。恶性肿瘤是临床医学研究中的热点，肿瘤影像学是肿瘤研究中的核心技术之一，同时被认为是现代六个重大机遇之一[3]。在肿瘤影像学的研究中，充分地展示了多学科交叉的优势，核药学、核生物学、影像物、放射光学、光学等。目前分子影像技术在脑胶质瘤的诊断和治疗中研究较多。
2 分子影像技术在胶质瘤诊断中的应用
分子诊断学是建立在分子探针和体内靶（如酶、受体、mRNA messenger ribonucleic acid分子代谢物等）物质的特异性结合的基础上，使用灵敏度很高的测量系统，从而可以在探针分子的浓度比较低的情况下实现对疾病的检测，并在不改变检测过程的情况下得出被检测人员是否有病或者是否具有某种癌前病变的前期征兆[4]。目前能够用于分子成像的技术是正电子发射断层成像（PET）为代表的核素成像、功能磁共振成像（fMRI）、核磁共振波谱成像（MRS）和某些光学成像（optical imaging，OI），这些成像手段可以对人体组织的生物或病理过程在分子水平上，进行无创的静态的或实时初态的成像。
目前，分子、功能和基因配体成像在肿瘤诊断中的应用主要体现在三个层次上。第一个层次是基于某些肿瘤的形成机制和遗传有关的事实，通过分析基因序列和肿瘤标志蛋白质，找出易感人群，开展针对易感人群的预防肿瘤医学。第二个层次是根据分子和基因配体成像可以检测肿瘤早期疾病的癌前分子改变、基因变化、肿瘤细胞标志物、生长动力学等参数，检测那些刚刚形成实体的肿瘤，为及时治疗提供依据。第三个层次是用分子和基因配体成像技术，解决当前临床诊疗中的问题。例如改进目前在临床上大量存在诊断信息单一，不能确定良恶性、分期和预后不准确等问题，进一步提高诊断的准确率。这三个层次形成了肿瘤影像诊断学当前需要解决的基础和应用研究方面的问题。
2.1 基因配体和分子成像
这是在第一层次也是在最高层次上实现对肿瘤早期预防预测工作。因为人体的病变首先开始于基因调控的生物大分子紊乱，长期的紊乱会造成生理参数的变化，生物参数的变化引起脏器的器质性变化。所以基因配体和分子水平的病变是所有疾病的源头。
p53基因是人体内在肿瘤的发生中起着重要作用的抑癌基因，在正常情况下，p53基因是保护正常细胞不受外来侵袭的，但是突变后的p53基因不仅丧失了抑癌的作用，反而成了致癌的因素。在许多病人的很多种肿瘤中已经被证实[5], p53基本突变是肿瘤最为常见的遗传变异。然而对p53基因还有很多问题没有搞清楚。只有在动物实验的基础上，用无创伤的人体成像方法对这些问题进行非常系统的深入研究之后，才能逐步把其中的规律搞清楚。
Parletich等[6]用X?鄄ray衍射方法测量得到p53基因和DNA连接的结构图，他们发现突变可能发生在p53基因和DNA相互作用时的6个活性物质处，也可以以结构断裂的方式发生突变。这种结构表明p53和DNA之间的特殊序列的结合方式是p53基因能够起到抑癌作用的核心问题。
从预防的角度看，很多种类的癌症具有遗传因素，因此通过对基因的分析可以帮助确定肿瘤的易感人群。对这类人群，一旦通过蛋白质生物芯片技术，结合细胞水平高倍显微镜下观测癌症易感人群获得足够的知识，进行早期检查是完全可能的。这些易感病人可以因为生活状况，环境的改善，原来的早期病变消失，所以对这些易感人群进行预防辅导，包括心理辅导、饮食习惯和生活习惯的辅导，采取经常进行体检的技术措施以及根据家族史对重点部位进行及时体检，可以使这部分人群不发生癌症或者发生癌症之后及时得到处理。
2.2 胶质瘤的早期诊断
肿瘤的亚临床病灶是指人体内存在的癌细胞团容量小于目前医学影像设备在临床上能够达到的空间分辨率，因而不能在临床上检测出来。国际上公认的看法是：实体部分直径小于4mm的肿瘤被认为还没有“生根”，也就是说其血管还没有完全生长，和人体的正常组织的联系还比较弱，是容易治疗的癌症，被称为肿瘤亚临床病灶。我们目前所说的早期诊断是指那些癌组织的实体在10mm以下水平的临床病灶[7]。
解决胶质瘤的早期诊断问题，主要的成像工具是PET，因为PET的本征空间分辨率已经达到2mm~3mm的水平，而且PET使用的放射性核素包括11C、13N、15O及18F，由这些放射性核素标记的化合物非常多，从而为分子和基因配体成像提供了机会。在所有示踪剂中，2＇?鄄脱氧?鄄18F?鄄葡萄糖（18F?鄄FDG）临床上使用最广泛。对头部肿瘤进行研究的生物学根据是肿瘤对18F?鄄FDG摄取率的增加[2]。葡萄糖摄取率对正在癌变的细胞相当敏感，这类癌细胞的葡萄糖摄取率增加的幅度相当大[8]，但在实际操作上，企图直接从18F?鄄脱氧葡萄糖PET图像中检测到病灶是不可能的。因为葡萄糖代谢是每个人都有的代谢，而且葡萄糖代谢的分布具有个体差异。因此采集大量的体检人员的PET图像，进行有针对性的处理和分析是必要的。除了蛋白质生物芯片检测技术以外，建立不同年龄段正常人群葡萄糖代谢的标准图谱也是一种必要的方法。
另一种方法是用药载动力学来分析经过放射性核素标记的药物在人体内分布，通过药载动力学参数的研究，可以把正常的代谢和异常的代谢区分开来，也可以实现对胶质瘤内部组织细胞活性的度量，并和统计学方法结合实现病理水平上的肿瘤组织分割，得到胶质瘤组织的不同边界，用这种方法确定胶质瘤的亚临床病灶的问题。
光学成像方法可以探测到体内基因表达。对组织蛋白酶B和H蛋白激酶的成像能发现直径1mm以下的肿瘤。
2.3 分子影像技术在当前胶质瘤临床诊断中的应用
在PET成像中，示踪剂18F?鄄FDG在临床上使用最广泛，被证明是探测脑神经胶质瘤、对胶质瘤分级、预测预后、评价效果及鉴别复发与坏死的有效工具。它可以进行参数成像，对人体内的生化过程或者肿瘤病理进行定量或半定量的分析[9，10]，还可以根据大脑对葡萄糖的生物摄取清楚显示大脑的解剖结构[2,11]。11C标记的氨基酸在探测肿瘤残余组织方面比18F?鄄FDG优越[2]。11C标记的甲硫氨酸（MET）在高级别和低级别的神经胶质瘤中均能浓聚，其在划定肿瘤范围时具有比18F?鄄FDG更好的效果，特别是在鉴别低级别的胶质瘤时，肿瘤与周围正常组织的对比度比较高。MET的这一特点可用于放疗计划中划定治疗的外部边界。把18F?鄄FDG和MET结合起来预测胶质瘤的级别及预后是一种更好的方法。Bruno Kashten[12]等提出了一种对切除前的胶质瘤进行评价的定量方法：用T/MCU值的大小来衡量胶质瘤的级别，其中T代表肿瘤对示踪剂的摄取值，MCU表示大脑皮质对示踪剂的摄取值。当T/MCU?鄄F?鄄FDG≤0.8且T/MCU?鄄MET<2.1时，胶质瘤的级别较低，当T/MCU?鄄F?鄄FDG≥1.1且T/MCU?鄄MET≥2.1时，胶质瘤的级别较高；当其中一个值较高时，胶质瘤的级别处于两者之间。
fMRI可深入细胞、分子水平来评价胶质瘤功能性改变，包括扩散成像、灌注成像和局部血容积、局部脑血流和血氧水平依赖性（BOLD）对比度成像等。
扩散成像之弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）是利用组织中水分子弥散的各向异性探测组织微观结构成像方法。有研究发现DTI可清楚显示胶质瘤与白质纤维的关系，确定皮质脊髓束与肿瘤间的距离，可用于指导手术[13]。在脑胶质瘤的鉴别诊断上，Krabbe等[14]指出脑转移瘤增强部位的ADC值高于高级别的胶质瘤的瘤周水肿。
MR灌注成像定量、半定量分析毛细血管的血流灌注情况，反映生理与病理情况下组织的血液动力学改变，评估局部组织活力及功能，对肿瘤灌注值的分析可以帮助肿瘤的诊断与鉴别诊断。
MRS可以测定生物体内局部的特定分子的信号，具有很高的化学特异性，与18F?鄄FDG?鄄PET探测能量代谢率不同，MRS探测的是代谢产物，它是在分子代谢产物的水平上提供癌细胞活性的信息，许多1H谱技术表示脑胶质瘤肿瘤区与正常组织明显不同[15]，表现为NAA(N?鄄acetyl aspartate)下降，Cho(choline?鄄containing compounds)上升，Cr(creamate)下降，NAA/Cho与Cho/Cr比值非常有助于鉴别高低级别的胶质瘤，NAA/Cho比值越低，表示肿瘤恶性程度越高，相反Cho/Cr比值与肿瘤的恶性程度呈正相关性。Law等[16]通过对肿瘤周围区的波谱研究发现，高级别胶质瘤肿瘤周围区的Cho/Cr值明显高于转移瘤周围区的相应值。
3 分子影像技术在胶质瘤治疗中的应用
3.1 基因治疗
基因治疗是将外源性正常的治疗性目的性基因用基因转移技术导入到靶细胞中，通过基因表达过程，使其表达产物起到对疾病的治疗作用。在基因治疗中需要及时监测目的基因的转染及表达情况。如果将目的基因和标记基因拼接起来，可以通过监测标记基因来判断目的基因的存在情况，在此理论基础上起来了影像标记基因技术。
有学者[17]对某种特殊的癌症进行临床初步试验的结果表明，利用有缺陷的E1B?鄄55KD型腺病毒和有缺陷的p53基因结合在肿瘤细胞中复制，有可能激活p53基因使得癌细胞自杀，从而达到治疗肿瘤的目的。单纯疱疹病毒Ⅰ型胸苷激酶（HSV?鄄TK）作为许多抗肿瘤基因治疗中的前体药物转化酶，HSV?鄄TK可以将低毒的药物转化成毒性化学物，导致肿瘤细胞的死亡[18~20]。通过核技术的基因表达成像说明了HSV?鄄TK的可行性。虽然至今许多实验尚未能进入临床应用，但设计在某类肿瘤中特异性表达的分子靶作为分子影像的靶点，是可以借鉴该类思路的。
3.2 化 疗
高分辨率的microPET的出现，为新药的研究和开发提供了一个新的技术平台，它能在同一活体动物上全程监测放射核素标记的新药在体内的变化，也可在任意时间间隔无创伤地重复研究。此举可大大提高新药研究的有效性和准确性，缩短新药研究的周期，减少新药研究的投入资金，故已引起了全球医药界的极大关注。
临床上肿瘤化疗的失败主要是由先天性和获得性肿瘤多药耐药（multidrug resistance，MDR）引起的。MDR现象的发生是因为动物和人类基因组中本身就存在着MDR基因，那些对化疗不敏感或疗效较差的肿瘤中往往有MDR基因的过度表达。MicroPET是研究体内功能性转运的有效技术，因此，在肿瘤细胞多药耐药的基础研究和多药耐药逆转成分的研究中，可发挥独到的作用。MDR显像在临床上有很大的用途：（1）诊断和定位MDR相关基因过度表达的肿瘤；（2）预测化疗的疗效；(3) 筛选MDR调节剂，确定MDR调节剂的用药剂量和抑制MDR作用的时间。目前用得最多的MDR显像剂是99mTC标记的脂溶性+1价阳离子，如99mTC?鄄MIBI、99mTC?鄄tetrofosmin。
3.3 放 疗
11C标记的甲硫氨酸在划定胶质瘤范围时具有很好的效果，它在肿瘤中的累积相对较高，而在正常脑实质中的累积相对较低，MET的这一特点可用于放疗计划中划定治疗的外部边界。另外用fMRI方法一次采集肿瘤及其周围组织尽可能多的参数，例如局部血容积、局部脑血流、BOLD等参数成像，并用氧灌注成像的方法进行氧增强的灌注成像，把这些结果和PET/SPECT的成像结果进行比较，对图像信息进行整合和系统分析，并把研究结果用一个生物学模型归纳到胶质瘤放疗的生物学模型，从而有效指导放疗计划。而对于脑胶质瘤外科手术切除后的残余肿瘤实行放疗中最大的问题是易复发，其中重要的一个原因是胶质瘤中存在有大量的乏氧细胞，这些乏氧细胞对射线不敏感。已有多个学者发现，对胶质瘤术后病人给予吸入高压氧后立即进行放疗能显著改善病人预后，延长存活时间[21，22]。
【】
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