分子影像學與介入放射學

1、分子影像學在介入放射學中的展望,夏寶樞 李文華 張 強,青島市海慈醫(yī)學影像中心濰坊市人民醫(yī)院,前言概念分子影像學與介入治療展望,,,前 言,前言,醫(yī)學基礎研究方面的發(fā)展，和醫(yī)學影像設備探測能力的提高，影像學突破了原來的框架，與分子生物學、分子病理學等基礎學科結合形成了一個新的邊緣學科—分子影像學(molecular imaging)。傳統(tǒng)的影像診斷顯示的是一些分子改變的終效應，而分子影像學則可探查某些疾病分子異常演

2、變過程。,前言,分子影像學涉及到一些致病分子的成像，涉及到疾病病理生理過程分子的成像，涉及到細胞與系統(tǒng)間的相互作用。分子影像不僅可以提高臨床診治疾病的水平，更重要的是有望在分子水平發(fā)現(xiàn)疾病的內因，真正地達到早期診斷和解決根本致病因素。,前言,分子影像學的巨大潛力和不斷發(fā)展將對現(xiàn)代和未來醫(yī)學模式產生革命性的影響，影像醫(yī)學的發(fā)展將從解剖學或病理學的影像時代，逐步走向分子影像時期。Weisseleder預期分子影像學將在5~15年間進入大發(fā)展

3、時期。,前言,1999年，第一屆分子影像學專題會議在美國召開。2002年8月，在Boston會議上成立了分子影像學學會（Society of Molecular Imaging, SMI），并舉行了第一次年會。同年初，SMI的學會期刊《Molecular Imaging》在美國創(chuàng)刊。 國內對分子影像學的發(fā)展也十分重視。2002年10月在杭州，國家科技部在第194次例會上召開了以“分子影像學”為題的香山會議，這是國家探討前

4、沿科學的高峰會議。,概 念,一、何謂分子影像學二、分子影像學有幾個特點三、分子影像學的主要研究領域,概 念,概念,概念,一、何謂分子影像學 Weissleder于1999年提出了分子影像學的概念：活體狀態(tài)下在細胞和分子水平應用影像學對生物過程進行定性和定量研究。它具有無創(chuàng)、實時、活體、特異、精細顯像（分子水平）的特點。,概念,對一些重要分子的成像，對疾病病理生理的分子生物學過程的成像，灌注成像等均屬于分子影像

5、學的內容。廣義理解，任何能夠將分子醫(yī)學實踐與成像聯(lián)系起來的事物都應該納入分子影像學的范疇。,漢字處理相關大腦皮層區(qū)的fMRI,概念,聾人與正常人枕葉視皮層對亮度敏感性的fMRI,概念,針刺鎮(zhèn)痛的fMRI右側合谷穴針刺后引起的平均信號升高區(qū)的fMRI,概念,針刺鎮(zhèn)痛的fMRI右側合谷穴針刺后引起的平均信號降低區(qū)的fMRI,概念,人腦對針刺與對指反映的實時fMRI,1、右手對指運動 2、3、針刺右側足三里和陽陵泉 4、

6、5、6、同一例針刺右側足三里和陽陵泉,概念,視覺和聽覺的記憶的fMRI,視覺記憶,聽覺記憶,概念,概念,二、分子影像學有幾個特點 ① 分子影像學不同于傳統(tǒng)的影像學，其成像基 礎或成像參數(shù)一定是某種或某類分子，稱分 子探針。 ② 分子影像學研究的是臨床可視影像，而不是 單個分子或細胞構成的分子譜或細胞圖。 ③ 分子影像學觀察的成像對象仍然是物體，是 病灶，不是

7、單個分子，強調分子影像學的空 間分辨率要達到分子水平是一種誤解，既不 現(xiàn)實，也無意義。,概念,（1）發(fā)展和快速篩選有生物協(xié)同作用 的高親和力配體；（2）改進對分子靶的傳輸并克服傳輸 障礙；（3）設計新的信號放大方式；（4）開發(fā)新成像和檢測設備。,分子影像學的主要研究領域,,概念,分子影像學常用的技術方法有成像技術和分子顯像探針技術，常用的成像技術有核醫(yī)學、MR

8、I和光學成像技術。,PET/CT,概念,PET/CT,概念,PET/CT,概念,超急性腦梗死,1~5超急性腦梗死發(fā)病后3h 圖1、為PDWI為陰性、 圖2、T2 WI陰性， 圖3、為DWI病灶顯示多信號， 圖4、ADC病灶顯示低信號， 圖5、三天后CT顯示腦梗死，,概念,超急性腦梗死,發(fā)病5小時后圖6、T2WI右額頂輕微高信號圖7、DWI右額頂大片高信號圖8、ADC右額頂大片低信號,概念,超急性腦梗死,發(fā)病4h

9、圖1、T2WI、圖2、FLAIR皆未見異常圖3、DWI左基底節(jié)稍高信號圖4、DWI信號明顯增高圖5、ADC病灶呈低信號圖6、MRA左側大腦中動脈梗塞,概念,小鼠Lewis肺癌移植瘤模型活體分子成像,圖1、 Lewis肺癌細胞顯示黃綠色熒光，表示基因有表達。圖2、48h后熒光細胞減少，亮度減弱圖3、14天后，光學活體成像見小鼠雙側腹股溝，見綠色熒光團塊。圖4、21天后，綠色熒光團塊更明顯圖5、28天后，活體成像圖6、

10、組織片中仍可見微弱熒光,概念,內皮抑瘤素對小鼠Lewis肺癌移植瘤抑瘤作用的分子成像,,圖1、腫瘤成像圖2、靜脈注射腫瘤成像圖3、局部注射腫瘤成像圖4、藥物注射部位出現(xiàn)腫瘤萎縮液化壞死,概念,分子水平放射學的介入研究,由于介入放射學已深入到分子生物學的層面，而介入放射學仍為醫(yī)學影像學的重要組成部分，因此，分子影像學也應包括分子水平的介入放射學研究。,分子水平的介入治療研究,一、基因治療二、細胞移植三、介入活檢與分子探針特點

11、,一、基因治療,（一）基因治療（二）基因治療分類（三）治療基因轉染方式（四）介入基因治療的應用（五）基因治療尚待解決的問題,基因治療,基因治療,（一）基因治療 是指向靶細胞引入外源基因，以糾正或補償其基因缺陷，從而達到治療的目的。目的基因導入靶細胞后與宿主內的基因發(fā)生整合，成為宿主遺傳物質的一部分，目的基因的表達產物對疾病起到治療作用。目的基因導入靶細胞內，代替缺陷基因而發(fā)揮功能，并不除去病變器官。,基因

12、治療,（二）基因治療分類 按治療對象不同可分為三類 ① 體細胞基因治療 ② 生殖細胞基因治療 ③ 對外來侵入病原基因組進行治療,基因治療,① 體細胞基因治療 將正常基因導入基因缺陷患者特定組織細胞中，以糾正這一細胞的遺傳缺陷，達到治療目的。體細胞基因治療不影響后代，是我們研究的主要類型。,基因治療,體細胞基因治療根據目的基因在靶細胞中整合

13、的方式又分為兩種：其一是定位導入，將目的基因定位導入靶細胞的基因缺陷部位；其二是隨機導入，將正?；蚝椭委熁驅氚屑毎蕴娲δ苋毕莸漠惓；颍瑢牖蛟诎屑毎娜旧w基因組上隨機整合。,基因治療,② 生殖細胞基因治療 針對發(fā)生基因突變的生殖細胞基因組進行改造。此技術已用于兔、羊、豬等動物品種的改良。但是，目前治療基因的導入只能隨機組合，不能避免引起插入突變引起新的基因缺陷。此技術尚不能用于人類。,,基因治療,③ 對

14、外來侵入病原基因組進行治療，主要指傳染病病原體的基因治療。,基因治療,（三）治療基因轉染方式 要想使治療基因整合到靶細胞的基因組實現(xiàn)基因治療的目的，首先要使基因載體能夠成功轉染靶細胞。轉染是指靶細胞主動攝取或被動導入外源性DNA片段而獲得新表型的過程。,基因治療,在體細胞基因治療中，治療基因轉染方式主要有三種 1、非病毒載體法（物理化學法） 2、病毒載體法 3、基因

15、打靶技術,基因治療,1、 非病毒載體法（物理化學法） 包括DNA與磷酸鈣共沉淀，顯微注射、電穿孔、脂質體包埋和染色體介導微細胞融合等。該法簡單易行，但是轉染率和整合率低，有可能產生一個細胞多拷貝的現(xiàn)象。此法轉染率約為1％，最近的研究發(fā)現(xiàn)納米材料載體攜帶治療基因的能力和轉染效率均高于其他非病毒載體。,基因治療,2、病毒載體法 用重組病毒作為載體，先構建攜帶治療基因的重組病毒，再去轉染細胞。本法轉染率和整合率

16、高，宿主細胞廣泛，是目前基因治療中主要的基因轉染方法。,基因治療,3、 基因打靶技術 先設計與疾病基因有同源序列的打靶載體，利用同源序列重組原理，把治療基因定點整合到突變位置上。此法優(yōu)點在于能原位修復，而且其基因表達受到正常調控，缺點是整合效率低。,介入治療中常用的病毒載體主要有以下幾種,1、缺陷型逆轉錄病毒載體2、腺病毒載體3、腺相關病毒載體4、單純皰疹病毒載體5、慢病毒載體系統(tǒng),基因治療,基因治療,介

17、入治療中常用的病毒載體主要有以下幾種 1、缺陷型逆轉錄病毒載體（retroviral vector, RV）轉染率高，基因表達時間較長。但是，RV的治療基因是隨機導入，而非定位導入，所以有可能引起原癌基因激活及抑癌基因滅活，導致引發(fā)腫瘤。RV只能感染分裂期細胞。 2、腺病毒載體（adenoviral vector, AV） 轉染率高，但是其高水平基因表達持續(xù)時間相對較短，有野生型病毒生成及引起靶

18、細胞免疫反應的不足。,基因治療,3、腺相關病毒載體（adenoassociated viral vector, AAV） 能夠定位整合到靶細胞染色體的某些位點上，避免在基因治療中激活原癌基因或滅活抑癌基因，對靶細胞沒有免疫反應和致瘤作用。AAV能夠感染分裂期及靜止細胞，轉染范圍廣，轉染率高。4、單純皰疹病毒載體（herpes simplex virus vector, HSV） 可感染分裂期和靜止期的細

19、胞，特別易感染神經系統(tǒng)細胞，而且載體容量大，可攜帶大約30kb的治療基因。但其治療基因不能整合到靶細胞的基因組中，影響治療基因的穩(wěn)定表達，同時HSV能引起一定的宿主細胞毒性反應及有野生型HSV生成的危險。,基因治療,5、慢病毒載體系統(tǒng)（lentiviral vector, LV） 沒有復制能力的缺陷型HIV能轉染分裂期和靜止期細胞，轉染率高，可攜帶至少9kb的基因片段，沒有免疫反應。,（四）介入基因治療的應用,1、腫瘤細胞

20、因子基因治療2、腫瘤的抑癌基因治療3、腫瘤的反義基因治療4、淋巴細胞協(xié)同刺激因子激活基因治療5、腫瘤的自殺基因治療6、目的基因局部治療,,基因治療,基因治療,（四）介入基因治療的應用 1、腫瘤細胞因子基因治療 通過導入相關的目的基因，增強免疫細胞的免疫活性，或腫瘤細胞的免疫原性，或增強細胞因子的表達強度，達到殺滅腫瘤細胞的目的。,基因治療,2、腫瘤的抑癌基因治療 將抑癌基因（如R

21、B基因、P53基因、MTS基因、nm23基因等）導入腫瘤細胞 抑制腫瘤細胞的增殖，達到治療目的。目前存在抑癌基因轉染效率低的問題，體內研究不如體外研究。,基因治療,3、腫瘤的反義基因治療 利用反義基因在轉錄和翻譯水平阻斷異?；虻谋磉_，使腫瘤細胞進入正常分化軌道或進入細胞凋亡程序。,4、淋巴細胞協(xié)同刺激因子激活基因治療 多種腫瘤缺乏B7分子，使T淋巴細胞激活的協(xié)同刺激通路阻斷，T淋巴細胞

22、的免疫監(jiān)視功能不能正常發(fā)揮，腫瘤細胞呈現(xiàn)免疫逃逸的特點。通過基因治療將B7分子導入腫瘤細胞，制止腫瘤細胞的免疫逃逸現(xiàn)象。,基因治療,基因治療,5、腫瘤的自殺基因治療 自殺基因治療又稱藥物敏感基因療法、分子化療或病毒介導的酶解前藥物療法（VDEPT）。其原理是將一些病毒或細菌基因組中藥物前體轉換酶基因（也稱自殺基因）導入腫瘤細胞，該基因編碼特殊的酶，可將原先對哺乳動物細胞無毒性的藥物前體（前藥）在腫瘤細胞中代謝為毒性產物

23、，殺滅腫瘤細胞。,基因治療,自殺基因治療腦惡性膠質瘤最早進入臨床試驗，取得了較好療效，目前已進入臨床Ⅱ期試驗。在其他多種腫瘤，如肝癌、黑色素瘤、前列腺癌和卵巢癌中自殺基因的臨床應用療效比較肯定，目前主要進行臨床Ⅰ、Ⅱ期試驗。,基因治療,6、目的基因局部治療 如帕金森病的酪氨酸羥化酶（TH）基因治療，TH是多巴胺合成的關鍵酶，將TH基因導入紋狀體內，使局部多巴胺表達增強，達到治療的目的。,(五)基因治療尚待解決的問題,1、

24、基因治療轉染效率的問題2、靶點整合的問題3、基因治療的安全性,基因治療,基因治療,(五)基因治療尚待解決的問題 1、基因治療轉染效率的問題 介入治療可以在CT、超聲、DSA等設備引導下將基因載體注入靶器官，使載體病毒能夠成功轉染靶細胞。,基因治療,為提高轉染效率，需要注意兩方面問題 ①基因載體引入靶器官的方式 如經頸動脈注入，每克腦組織內蓄積的病毒載體量僅占注射量的（0.1±0.07

25、）％，而非靶器官含量卻甚高，如肝為（27±2.9）％、肺臟為（2.1±0.7）%；而將病毒載體直接注入腦內時，24小時后，腦內病毒載體仍有71％，只有部分病毒載體分布到其他部位，并且靶區(qū)域的濃度高于鄰近區(qū)域，而鄰近區(qū)域高于非靶部位。 ②基因載體的選擇 對非分裂期細胞最好使用AAV載體，對神經組織可使用HSV載體。,基因治療,2、靶點整合的問題 解決了轉染效率問題，基因載體能夠有效的進入靶細胞

26、內后，下一個問題是如何使治療基因特異的整合到靶點位置，使其最大限度的發(fā)揮生理效能。3、基因治療的安全性 研究基因治療的對象可以是患病的病人，通過改變病人的基因結構和遺傳特征達到治療目的。但是將這種基因改變引入正常人群是十分危險的，應該禁止。,二、細胞移植,（一）胰島細胞移植（二）多巴胺能神經細胞移植（三）肝細胞移植（四）胚胎干細胞移植（五）轉基因細胞移植,二、細胞移植,細胞移植,細胞移植分 ①同

27、種細胞移植和異種細胞移植，同種細胞移植的供體多來源于腦死亡病人。同種移植受到供體來源不足限制。 ②異種細胞移植可解決供體短缺的問題，細胞來源主要為豬。,細胞移植分同種細胞移植和異種細胞移植,細胞移植,以豬為器官供體來源的優(yōu)點為 豬已經與人類共同生活了數(shù)千年，沒有嚴重的不可避免的共患疾??；豬的性成熟期短，繁殖快；有相當多的組織細胞與人類接近；此外，豬作為細胞供體來源，不存在倫理問題。,細胞移植,異種移植的免疫排斥反

28、應以T淋巴細胞介導的細胞免疫為主，CD4＋淋巴細胞是主要的效應細胞；免疫排斥B淋巴細胞、巨噬細胞和補體激活系統(tǒng)參與其中。目前可使用免疫抑制藥物、生物半透膜、基因工程等方法抑制排斥反應。,細胞移植,（一）胰島細胞移植 目前，我國在異種胰島細胞（豬）經肝動脈或門靜脈肝內移植治療糖尿病方面，已經完成了動物實驗研究，并已初步用于臨床（此課題為國家自然科學基金，衛(wèi)生部重點科研基金項目）。,細胞移植,胰島細胞移植用于治療Ⅰ型糖尿病病

29、人、Ⅱ型糖尿病病人晚期、糖尿病腎病晚期。由于需要抗排斥反應治療，合并惡性腫瘤和嚴重感染的糖尿病患者不能采用此治療。 胰島細胞抗原性弱，排斥反應以細胞免疫為主，但胰島細胞脆弱易受損傷，發(fā)生排斥反應后往往形成不可逆的損傷。,細胞移植,國內等研究經肝動脈移植豬胰島細胞肝內種植治療Ⅰ型糖尿病安全、有效。移植后隨著甲基強的松龍的逐漸減量和停用，病人胰島素用量明顯減少，對移植后病人隨訪發(fā)現(xiàn)2年療效仍然存在，糖化血紅蛋白水平正常。,細

30、胞移植,（二）多巴胺能神經細胞移植 用于治療帕金森病，在CT等影像設備的導引下將黑質細胞植入帕金森病病人紋狀體區(qū)，提高已降低的多巴胺能神經遞質，對帕金森病進行治療。,細胞移植,（三）肝細胞移植 將分離、純化后的同種或異種肝細胞移植到病人肝內、脾內或腹膜腔內，用于治療肝功能衰竭，治療由于肝細胞異常導致的代謝性疾病，改善終末期肝病病人的情況，為肝移植創(chuàng)造條件。,細胞移植,①胚胎干細胞

31、 也稱為全能干細胞，可分化和復制成各系統(tǒng)細胞，如胰島細胞。 ②體細胞干細胞 來源于血細胞干細胞、神經干細胞、間充質干細胞等。也稱為多能干細胞，可分化為各種組織細胞。 ③單種組織干細胞 如胰島組織干細胞，也稱單能干細胞，具有增殖和分化能力，可分化為一定組織的的細胞。,（四）胚胎干細胞移植 干細胞分三類,細胞移植,干細胞具有正常核型，具有高的

32、端粒酶活性和高的復制性，具有原始胚胎干細胞的表面標記，在體外可以不分化的增殖，種植于體內可以在局部微環(huán)境的誘導下分化為相應的組織。,肝干細胞分化成熟過程,圖3、肝細胞分離技術，混有雜質 圖4、胎肝細胞去除雜質 圖5、胎肝細胞開始貼壁圖6、胎肝細胞充分貼壁伸展大量增殖,細胞移植,大鼠骨髓基質細胞（marrow stromal cell ,MSC）分離培養(yǎng)和經門靜脈途徑移植,圖1、貼壁生長的MSC 圖2、DAPI標記的MSC熒光顯示

33、圖3、移植后2hDAPI 標志的細胞集中于門靜脈內圖4、移植1W后部分細胞離開血管進入肝實質圖5、移植3W后多數(shù)細胞分布肝實質內，布于肝細胞間圖6、移植4W后，DAPI標記細胞分布與肝實質內與肝細胞結合成索狀排列,細胞移植,細胞移植,（五）轉基因細胞移植 能夠為細胞移植提供盡可能理想的細胞供體。,細胞移植,如異種胰島細胞移植后發(fā)生的免疫排斥反應，是異種細胞移植的難題。利用腺相關病毒攜帶CTLA4-Ig基因進行體外

34、轉染豬胰島細胞，阻斷T淋巴細胞激活時的信號傳遞，可以有效的抑制T淋巴細胞的活化，使排斥反應減弱，而又不影響豬胰島細胞的生理功能。這種經過轉基因修飾的豬胰島細胞移植后，宿主排斥反應相對減輕，移植豬胰島細胞在病人體內的存活時間延長。,三、介入活檢與分子探針特點,分子探針是常用的標記后連接藥物和蛋白并產生信號的物質，用來檢測特定的分子或生物過程、某一樣品或基因組中特定的DNA序列或基因片段。 Weissleder指出進行分子影像

35、學研究的3個關鍵問題：高度特異性的顯像探針、合適的擴增方法以及高分辨率的成像系統(tǒng)。這3個條件中又以分子探針的研究最為重要，也是進行分子影像學研究的先決條件。,在分子影像學中，要求探針的分子量要??；與靶目標有高度的親和力，而與非靶目標的親和力低；靶與背景率要大于1；能迅速穿過細胞膜，克服各種生物屏障，順利通過細胞膜，與靶點結合，半衰期長，不能被機體迅速代謝。這些探針要用核素、順磁性物質或熒光素標記后與靶目標結合，經合適的擴增方法擴增將信息

36、放大，要具備相當水平的放大信號的功能，然后就可以由成像系統(tǒng)如PET、MRI或光學成像技術發(fā)現(xiàn)。,對介入活檢得到的標本用分子探針進行檢測，可以大大提高早期腫瘤診斷的敏感性和特異性。,展 望,分子影像學是一門極具發(fā)展?jié)摿Φ膽眯詫W科，對于基因治療和細胞移植國內各學科均處于剛起步階段，大家處于同一條起跑線上，誰的水平高誰就領導了這一領域的發(fā)展。我們必須抓住機遇，盡早介入這一領域，投入更多的精力，掌握分子影像學的通用知識，發(fā)揮微創(chuàng)和靶向輸