分子影像学是现代医学技术飞速发展的产物，是医学影像学从大体形态向微观形态、生物代谢、基因成像等方面发展迈出的重要一步。分子影像学的概念最早由美国哈佛大学Ralph Weissleder教授提出，定义为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^[1]。这种新兴的交叉学科实现了对生理病理变化的实时无创、动态在体（in vivo）成像，突破了传统影像技术仅能显示解剖结构的局限性，在细胞、分子层面更加深入地进行疾病诊断和疗效评价，为分子生物学与临床医学架起了桥梁。分子影像常用的成像设备包括核素成像（PET/SPECT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）、光学成像（optical imaging）及超声成像（ultrasound imaging）等^[2]。其中，MRI因具有高分辨率、无放射性损伤及不受组织深度限制等特点，在分子影像学应用中具有其他影像学技术不可比拟的优越性，成为分子影像学的重要方法和技术^[3]。

1　磁共振分子影像成像技术及原理

       磁共振分子成像利用磁共振成像技术对体内特定生物分子进行成像，以达到对病变早期、特异性诊断与疗效监测等目的。根据不同MR对比剂的类型，常采用相应的成像序列如T1WI、T2WI及T2^*WI来获取组织图像^[4]。例如，对于以钆剂为基础的阳性对比剂，主要测量组织的T1值；对于以氧化铁为基础的阴性对比剂，则普遍测量组织的T2或T2^*值。

       除了上述传统的结构成像以外，广义的MR分子成像还包含磁共振波谱成像（magnetic resonance spectroscopy, MRS）和某些功能磁共振成像（functional MRI）技术，后者主要为弥散加权成像（diffusion weighted imaging, DWI）及血氧水平依赖的磁共振成像（blood oxygen level-dependent MR, BOLD-MR）等^[4]。这些磁共振成像技术不需要相应的对比剂或特异性分子探针即可直接反映活体分子、细胞水平的变化。例如，MRS技术可测量组织内多种代谢产物的水平；DWI可以反映组织内水分子的弥散程度；BOLD则用以检测组织内去氧血红蛋白的含量。这些磁共振功能成像技术丰富了分子影像的概念，拓展了其应用范围。

       目前，MRI成像的分辨率已达到微米级别^[5]，并能够在获得组织解剖结构信息的同时采集生理、代谢等相关数据，很好地弥补了其他成像技术的不足。然而，MR分子成像最大的局限性在于成像敏感性较低^[6] ：MR成像所探测到的分子浓度通常为毫摩尔（mmol/g）到微摩尔（μmol/g）水平，较PET成像要低数个数量级。因此，研发MR分子影像高灵敏度特异性探针、发展有效生物放大技术一直是领域内的热点问题。

2　磁共振分子探针

       在MR分子探针的开发中，如何赋予传统MRI对比剂以分子／细胞特异性及足够的差别显示能力是亟待解决的关键问题。合适的分子探针需要满足以下几个方面的要求^{[4, 7]}：（1）具有良好的生物兼容性；（2）具有与靶点结合的高特异性；（3）在体内半衰期适中，避免被快速清除；（4）能够穿过生理屏障到达需要观察的组织部位。近几年，随着纳米技术、分子生物技术的迅速发展，新型MR分子探针不断涌现，为MR分子成像的临床应用奠定了坚实的基础。

2.1　钆类分子探针（T1对比剂）

       早期MR分子影像学研究主要集中在以钆(Gadolinium, Gd)为基础的分子探针。此类探针通常利用抗原-抗体或配体-受体特异性结合，同时携带大量的钆螯合物到达靶点，产生T1阳性信号对比。然而，钆类分子探针在分子成像时所需的浓度要求较高，有时对某些表达微量的靶点成像时无法达到检测所需的钆离子浓度。最近，新研发出的一些钆类探针可以较好地克服这个问题。这类探针通常由树枝状分子、胶束、脂质体、高密度脂蛋白等大分子物质构成^[8,9,10,11]，能够结合更多钆离子，且在血液循环中的半衰期较长、具有更大的纵向弛豫率（传统钆对比剂为4 [mmol/L]^-1 · sec^-1,而新型钆对比剂可达到10~ 20 [mmol/L]^-1 · sec^-1）^[12]，从而获得满意的成像效果。

2.1　磁性纳米颗粒(T2对比剂)

       磁性纳米颗粒主要指由氧化铁核心或其他以铁和铁的氧化物为主要磁性物质的纳米颗粒，可以产生T2阴性信号对比。与钆剂相比，氧化铁颗粒具有较高弛豫率，能够产生更强的MR信号对比(钆剂检测灵敏度为10^-4～10^-5 mol/L，而氧化铁颗粒检测灵敏度可达10^-9 mol/L)^[13]。临床上常用的磁性纳米探针为超顺磁性氧化铁(SPIO)及超小顺磁性氧化铁颗粒（USPIO），一般认为这两者尺寸在40~ 50 nm左右^[14]。这些氧化铁颗粒经静脉注射后，由于粒径很小，具有较长的血液循环时间，可分布至吞噬细胞丰富的网状内皮系统。利用这种被动靶向性，氧化铁颗粒已被成功用于肝部损伤、良恶性肿瘤及转移淋巴结等的鉴别诊断^{[15, 16]}。此外，磁性纳米颗粒还可被修饰并结合某些特异性抗体、寡糖、多肽及其他配体等，用于主动靶向成像。同时，也有研究将氧化铁外层包被物质氨基化制备成为交联氧化铁颗粒(CLIO)^[17]，使其能够直接与荧光染料等其他基团共轭，构建多模态／多靶点分子探针，大大拓展分子探针的应用范围^[18]。

2.3　其他新型探针

       随着分子成像技术的深入发展，新型对比剂的开发和研究越来越引起人们的重视。除了上述几种常见探针以外，一些新型探针也不断被引入到MR分子影像学研究中。

2.3.1　可激活探针

       可激活探针又叫"智慧型"探针，可以根据环境变化而改变自身的弛豫度^[19]。这类探针通常可以连接多种生理事件相关的分子，它们能够敏感地检测到pH、金属离子、温度、血氧水平、酶活性等的变化。当这些分子在某种疾病状态下发生改变时，相应的探针则也发生变化并产生MR信号改变，从而达到监测体内环境的目的。当前最受人们关注的当属基于酶活性的探针^[5]，此类探针往往为待测酶的底物，当酶促反应完成时，底物浓度的变化可以造成MR信号的改变。例如，Nahrendorf等利用髓过氧化物酶（MPO）底物合成了MPO-Gd探针，该探针被MPO催化后可促进钆剂与水接触导致T1信号升高，被成功用于检测心肌缺血后的炎症反应^[20]。由于酶的改变通常发生于疾病的早期阶段，酶激活探针常被认为是疾病早期诊断的有力工具。

2.3.2　化学交换饱和转移

       化学交换饱和转移（CEST）是通过预饱和的CEST对比剂的可交换羟基或胺基的氢与周围水分子进行磁化交换，利用水的磁共振信号来间接放大交换位点上的弱质子信号^[21]。基于CEST效应，人们可以将内源性的特异性表达的分子或外源性靶向分子作为分子探针进行成像。近年来，利用顺磁性分子或复合物制备的顺磁性CEST （paramagnetic CEST, PARACEST）可以产生更强的CEST效应^[22]，并应用于可激活探针的制备，进一步拓展了CEST的应用范围。使用CEST不仅可以观察活体组织的结构改变，还可以进行代谢显像、标记细胞成像和报告基因显像等^[23]。由于受到扫描时间长、分辨力低、对磁场要求高等的制约，其在体内应用依然存在很多问题。然而，随着快速扫描程序的研发逐渐深入，CEST作为MR分子影像的重要分支将有更大的应用前景。

2.3.3　19F对比剂

       与¹H-MR相比，¹⁹F成像具有灵敏度较高、信号干扰小、化学位移范围大精确度较高、化合物不易被代谢等优点^[24]。¹⁹F共振频率与¹H很接近，可以直接使用现有的¹H-MRI仪器通过双重调谐的共振器进行同一视窗的采集，将两者图像相叠加获得更精确的信息。超氟碳（perfluorocarbons, PFCs）是目前使用最广泛的¹⁹F-MR对比剂，其他某些含氟药物如5-氟尿嘧啶(5-FU)、氟比洛芬及氟西汀等也可被用来进行¹⁹F-MR成像^[25]。作为新兴技术，¹⁹F-MR尚处于早期阶段，受到成像时间长、信噪比较低等的限制。随着MR硬件及软件设备的不断完善，可以预见¹⁹F-MR在各种疾病的早期诊断及疗效评价等方面将会发挥重要作用。

2.3.4　超极化

       理论上含有奇数质子的原子都可以产生MR效应，但由于成像敏感度低，限制了其在MR成像的应用。近年来，通过对多种原子进行超极化处理，使其磁矩大大增加，因而只需要较低浓度的超极化原子就足以进行MR成像^[26]。目前，注射超极化原子及其标记的化合物开展了多种临床应用。例如，¹³C标记的丙酮酸盐可用于前列腺癌分级、肝癌进展监测、药物治疗细胞毒性等的监测^[27]。此外，对³He和¹²⁹Xe等惰性气体进行超极化制备，可以用于肺部成像，对呼吸系统疾病的诊断具有重要意义^{[28, 29]}。虽然超极化MR成像需要特殊的磁体硬件，且对造影剂的选择要求较高，随着技术的进步，其在临床多种疾病的早期诊治、疗效监测方面必将扮演重要的角色。

3　MR分子成像的应用进展

       目前，MR分子成像已应用于基础及临床医学研究领域并取得突破性进展，在多系统疾病的早期诊断、代谢成像、细胞示踪、基因分析及代谢成像等方面具有广阔的应用前景。

3.1　肿瘤成像

       在过去的20年间，氧化铁纳米颗粒已被广泛应用于临床肿瘤淋巴结转移情况的评估^{[16, 30]}。由于转移淋巴结内皮网状系统被破坏，其吞噬的氧化铁颗粒明显少于正常淋巴结组织，故与正常淋巴结具有明显信号差异。氧化铁颗粒还可与可活化探针联合运用，达到同时对铁颗粒的沉积及某些特定的酶活性成像的目的，这为肿瘤切除术前、术后淋巴结的评估提供更加重要、丰富的信息^[31]。

       肿瘤新生血管是分子影像的重要靶点。由于在内皮细胞表面表达丰富，整合素αvβ3在众多新生血管相关靶点中最为人们关注^[32]。目前已有多种αvβ3相关探针，例如Kayyem等合成了一种靶向新生血管表面多聚赖氨酸的配体分子，在其两端分别连接治疗基因和MR对比剂，这样即可同时实现对肿瘤新生血管特异性成像和基因治疗。这种新型的MR分子探针为分子影像在临床的应用扩宽了新的思路。针对肿瘤表面特异性标志物的成像也是领域内热点。近期，肿瘤过表达的叶酸受体得到广泛关注，此类MR分子探针已成功应用于多种动物肿瘤模型并取得了满意的成像效果^{[33, 34]}。该领域早期分子探针多利用抗体与SPIO结合制备而成，而近年来新型探针多采用抗体片段、肽段等免疫原性低的小分子物质，在减小探针的副作用的同时优化了成像效果。

3.2　心脑血管成像

       MR分子成像在心血管领域有着极其广泛的应用。以动脉粥样硬化（Atherosclerosis, AS）模型为例，注射USPIO颗粒可被斑块内的巨噬细胞吞噬，在斑块处产生显著的信号改变^[35]。一项临床研究偶然发现，AS患者注射USPIO颗粒后出现颈动脉斑块T2信号下降，这说明斑块的MR分子成像具有极大的临床转化前景^[36]。除了被动靶向以外，斑块内特异性表达的分子也有很多种类，包括清道夫受体、细胞粘附分子、基质金属蛋白酶、炎症相关分子等，针对上述分子已研发出多种靶向探针。例如，有研究成功制备了髓过氧化物酶相关的可活化探针，其可在兔AS模型的斑块部位产生显著增强的信号^[37]。由于炎症反应相关酶是斑块的重要预后因子，该结果说明利用影像方法可以充分实现对心血管事件预后的评估。此外，在探索脑卒中、心梗等疾病的病理生理机制中，MR分子成像均扮演重要的角色^{[20, 38]}。

3.3　细胞示踪

       MR活体示踪干细胞研究已成为热潮，磁性纳米颗粒如SPIO等因能改变MR弛豫率而被广泛用于细胞的标记，成为细胞示踪的主流技术^{[39, 40]}。最近，一项临床实验对胰岛细胞进行了氧化铁颗粒标记并将其注射至1型糖尿病患者门静脉中，长达24周的追踪扫描后发现MR信号改变仍稳定维持^[41]。此项研究说明基于MR成像技术的细胞示踪可以用于长期疗效的观察。除了磁性纳米颗粒，其他颗粒物质也可以对细胞进行标记。例如，超氟碳（perfluorocarbons ，PFCs）纳米颗粒也可用于细胞标记并进行¹⁹F成像，此种标记成像敏感性显著高于SPIO标记^[42]，但显像时间长限制了其在细胞示踪方面的应用。目前，细胞示踪技术已用于内皮祖细胞、间充质干细胞、内皮细胞、神经细胞及一些肿瘤细胞等，在细胞治疗的研究与应用中发挥越来越重要的作用。

3.4　报告基因成像

       报告基因显像技术在分子影像学中属于间接成像，报告基因的表达产物可与携带影像学标记物的分子探针特异性结合，从而根据探针分布情况间接了解各种基因的信息。目前MRI相关的报告基因主要有酪氨酸酶、β-半乳糖苷酶、肌酸激酶、转铁蛋白受体及铁蛋白报告基因等。以酪氨酸酶为例，通过分子生物学方法将该基因导入细胞内，产生的酪氨酸激酶可催化合成黑色素，后者通过螯合大量金属离子引起MR信号改变，由此检测与该基因相连的目的基因的表达情况^[43]。近年来，铁蛋白报告基因越来越受到重视，铁蛋白主要储存机体中过剩的铁，构成了类似氧化铁颗粒的结构。将铁蛋白作为报告基因不依赖外源性的对比剂，因此拥有很大的优势和广阔的发展前景^[44]。目前，MR报告基因已在多个领域广泛应用，包括基因疗效评价、细胞示踪、观察蛋白质相互作用、药物筛选及代谢活性评估等方面，是未来分子影像研究的热点方向。

3.5　代谢成像

       除了传统的MRS技术，近年来发展的超极化MR技术进一步拓宽了代谢成像的应用范围。如前所述，超极化MR技术主要利用¹³C标记的丙酮酸盐进行成像，目前已用于多种类型的肿瘤模型显像中，包括P22肿瘤、前列腺癌及腺癌等^[45]。同时，多项超极化成像的临床实验正在进行，主要用于人肝癌、前列腺癌等的疗效评估，这预示着此项技术将具有广阔的临床应用前景^{[46, 47]}。除¹³C之外还有很多其他类型的超极化探针，此处不再赘述。

4　MR分子影像的展望

       MR具有精细的空间分辨率和极佳的组织分辨率，能够对深部组织的分子影像学特征进行精细准确的定位、定量分析，是理想的分子影像学分析技术。未来MR分子影像的研究应着重于提高成像敏感性，采用高场强设备、应用CEST成像、超极化MR成像以及研发高对比度差异的分子探针等均是可靠的方法。此外，多模态、多靶点分子探针的研发也是MR分子影像的研究重点，通过针对不同成像设备／靶点的信息互补，为疾病生理进程的研究提供更加全面、准确信息。尽管目前很多MR分子探针均有望进行临床转化，但距离临床大规模应用还有较大差距。分子影像学作为一门新兴的交叉学科，其临床转化是一个漫长的过程，需要不同学科背景的研究人员共同努力才能够得以实现。相信随着设备、技术的日新月异，MR分子影像必将在临床疾病诊治中发挥不可替代的作用。