作者單位：1.230032合肥，安徽醫(yī)科大學武警總醫(yī)院臨床學院；2.100039北京，武警總醫(yī)院消化內(nèi)科

契倫科夫光學成像在腫瘤成像中的研究進展

查佳麗1,屈亞威2綜述劉海峰2審校

【關鍵詞】契倫科夫光學成像；腫瘤；研究

通訊作者:劉海峰,E-mail：haifengliu333@163.com

【中國圖書分類號】R73-3

放射性核素可通過契倫科夫輻射(cerenkov radiation,CR)產(chǎn)生契倫科夫光(cerenkov iuminescence, CL)，對這種光進行成像的契倫科夫光學成像(Cerenkov luminescence imaging, CLI)是近年來出現(xiàn)的新型成像技術。多種放射性核素均可產(chǎn)生CL從而進行CLI，在臨床前及臨床研究中受到廣泛關注，已經(jīng)成為重要的分子影像學工具，并取得重要進展[1]。筆者著重就契倫科夫光在小動物腫瘤成像及臨床成像的研究進展做一綜述。

1　契倫科夫光與契倫科夫光學成像

CR是指高速帶電粒子在非真空介質(zhì)中穿行的速度大于光在這種介質(zhì)中的穿行速度時，發(fā)出的一種以短波長為主的電磁輻射[2,3]。CR發(fā)出的以藍紫光為主的可見光，稱為CL。1934年，蘇聯(lián)物理學家契倫科夫(Cerenkov)發(fā)現(xiàn)了CR現(xiàn)象，并因此與弗蘭克(Frank)及塔姆(Tamn)成功解釋了CR原理而共同獲得了1958年的諾貝爾物理學獎。CL信號較弱，早期并沒有得到廣泛應用。通過高靈敏的CCD相機及特別設計的成像暗箱和成像軟件，可觀測、記錄這些光子并成像[2]，即CLI。

1.1CL根據(jù)CR原理，在一種給定的介質(zhì)中，帶電粒子速度超過光在此介質(zhì)中的速度時產(chǎn)生CL。這條基本原則由βn>1確定臨界值，n是折射系數(shù)，β則由粒子能量值決定[4]。在水中，電子的臨界能量是0.264 MeV[4]。大部分β-衰變的放射性核素和幾乎所有β+衰變的放射性核素都能夠滿足CL產(chǎn)生的條件[2]，α衰變的放射性核素產(chǎn)生的粒子理論上不會產(chǎn)生CL[5]。因為沉重的α粒子不具有足夠的速度。然而，從α衰變放射性核素225Ac發(fā)出的光信號已經(jīng)被檢測到，這可能是由于225Ac的一個子代產(chǎn)物，主要是213Bi，其衰變是β-輻射，產(chǎn)生CL[6]。Ackerman等[7]經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)在初代α衰變與子代放射性核素產(chǎn)生的CL之間有比較明顯的延遲。Liu等[8]發(fā)現(xiàn) 99mTc等少數(shù)純γ衰變的放射性核素也不能檢測到光信號， Axelsson等[4]發(fā)現(xiàn)用線性加速器加速電子或X線光子，也會產(chǎn)生CL。折射率(n)的改變，也可以影響CL信號。Yoo等[9]發(fā)現(xiàn)高折射率的CL探測器可探測非常低能量的β粒子。

不同放射性核素的CL光譜分布具有很大的相似性。CL光譜呈連續(xù)性分布，主要分布在200～500 nm波段，最大值在紫外光區(qū)域波段，不被其他波長影響[10]，在700 nm之后出現(xiàn)平臺。

1.2CLI早在1971年，Nature的一篇簡報已經(jīng)報道過在兔子的玻璃體觀察32P產(chǎn)生的CL[11]。直至2009年，Robertson等[12]采用高靈敏的CCD相機，首次對尾靜脈注射18F-氟代脫氧葡萄糖(18F-Fluorodeoxyglucose,18F-FDG)的荷瘤鼠成功進行了成像。Liu等[8]采用多種核素探針進行小動物CLI，使多種放射性核素探針用于CLI成為可能。Ruggiero等[13]利用多種放射性核素標記的顯像劑對荷瘤小鼠進行了CLI和PET顯像，二者的相關性分析表明，光信號的強度隨時間的變化與放射性核素的衰變規(guī)律相吻合，并且與放射性活度呈線性相關。

2　CLI在小動物腫瘤成像中的研究進展

自從Robertson第一次實現(xiàn)了小動物CLI[12]，這項技術便快速發(fā)展起來。CLI使很多常見的，廣泛應用在臨床的放射性核素實現(xiàn)光學成像，更重要的是，提供一種直接對β衰變的成像路徑，為腫瘤成像提供了一種新的思路。除了應用在腫瘤診斷外，研究者還進行了一系列腫瘤相關的應用探索研究。

現(xiàn)代醫(yī)學發(fā)展希望從疾病基因譜的水平解釋疾病發(fā)生、發(fā)展，以達到針對性的診斷和治療，而現(xiàn)有技術都不能直接基因水平實時可視化成像。2010年，Liu等[8]將突變型單純皰疹病毒胸苷激酶(mutant herpes simplex virus thymidine kinase, HSV-sr39tk)質(zhì)粒穩(wěn)定轉染C6神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞(C6-tk)，對荷C6和C6-tk腫瘤的小鼠18F的CLI和PET顯像一致性良好，實現(xiàn)了通過CLI進行18F標記報告基因探針監(jiān)測HSV1-tk報告基因的表達。2013年，Yang等[14]建立了基于CLI的針對miRNA的多峰性成像方法，為實現(xiàn)非侵襲性可視化miRNA表達提供新的方向，該項技術的發(fā)展為疾病更早期診斷和治療提供了新的方向。

2010年，Liu等[8]驗證CLI與PET顯像具有良好的一致性。根據(jù)這個特性，研究者進行了一系列研究。Boschi等[15]進一步研究發(fā)現(xiàn)用動態(tài)CLI還可對荷瘤鼠進行藥代動力學研究。另外，Xu等[16]予大細胞性肺癌H460細胞系荷瘤鼠貝伐單抗輸注治療，尾靜脈注射18F后PET和CLI顯示H460組明顯減低的移植瘤信號， 他們認為該發(fā)現(xiàn)值得進一步探索和優(yōu)化CLI替代PET用于監(jiān)測腫瘤療效和藥物篩選。

由于腫瘤發(fā)展過程中直接浸潤周圍組織，導致外科腫瘤切除普遍存在手術邊界模糊，術后無法快速準確判斷是否切除徹底等問題。術中冷凍切片雖然可以判斷腫瘤邊界，但由于取材局限性，切片質(zhì)量不高，有一定的延遲診斷率和誤診率。而術中腫瘤成像可以引導更好的手術切除和有效地術后管理。2011年，Holland等[17]用89Zr標記的去鐵胺B單抗對HER2表達陽性的人乳腺癌BT-474荷瘤鼠進行CLI與PET顯像，通過觀察腫瘤切除前后手術區(qū)域CLI光學信號的變化，提出CLI在指導和監(jiān)測腫瘤手術方面有優(yōu)勢。腫瘤切除后，是否有前哨淋巴結轉移通常也在外科手術被考慮。Thorek等[18]發(fā)現(xiàn)通過皮下注射18F-FDG獲得多峰成像進行PET和CLI聯(lián)合診斷，發(fā)現(xiàn)CLI甚至在手術視野暴露前便可使淋巴結可視化，并可通過CLI指導淋巴結切除術。這些研究成果表明CLI不僅能指導腫瘤切除，還可發(fā)現(xiàn)轉移的淋巴結。

Liu等[19]建立第一套CL的光纖成像系統(tǒng)，體外實驗發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的敏感性可以達到45 kBq(1.21 uCi)/300 μL；在荷瘤小鼠靜脈注射18F-FDG后將腫瘤組織切除，通過光纖成像系統(tǒng)對離體腫瘤和術后腫瘤區(qū)域行CLI，發(fā)現(xiàn)兩者信號差異較明顯。 Kothapalli等[20]進一步研究，發(fā)現(xiàn)即使在仿真模型系統(tǒng)，低至1uCi的18F-FDG的CL仍可在傳統(tǒng)光學纖維束和內(nèi)鏡系統(tǒng)傳輸。在C6神經(jīng)膠質(zhì)瘤荷瘤鼠的在體成像實驗中，靜脈注射18F-FDG(940-970uCi)，可以獲得腫瘤組織和其他感興趣區(qū)域的圖像。這些研究表明，CL的內(nèi)鏡成像將會是CL發(fā)展的新方向，在內(nèi)鏡成像領域有很大發(fā)展空間。

CL的斷層成像研究也是CL的一個主要研究方向。在2010年，Li等[21]以光學斷層成像方法開展了基于勻質(zhì)模型的契倫科夫光斷層成像(Cerenkov luminescence tomography, CLT)研究，成功重建了模型中光源位置，并與CT融合，實現(xiàn)了CLT。而在同年, Hu等[22]研究了異質(zhì)性小鼠模型的三維CLT，并用SPECT驗證，結果表明CLT圖像能夠準確重現(xiàn)置入小鼠體內(nèi)的131I光源位置，并且能夠進行光信號強度相關的定量分析。Zhong等[23]發(fā)現(xiàn)，通過這項技術可以快速定位放射性核素的遷移。2011年，Spinelli等[24]建立了光子傳輸?shù)腄A模型和CL光譜分析模型，隨后建立了基于CL光譜分析的多光譜契倫科夫光斷層顯像(multispectral Cerenkov luminescence tomography, msCLT)進行三維重建。對模型及動物的msCLT和CT融合成像數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，光源位置重建誤差為0.9%～6.7%， 在6 mm深度的空間分辨率是1.5 mm，可與SPECT/CT相媲美。

3　契倫科夫光能量轉移成像和契倫科夫光二次誘導成像在小動物腫瘤成像中的應用進展

光穿透組織時，可能被組織吸收或分散。血紅蛋白在藍紫波段光子吸收很強，近紅外波段吸收率最小[25]，根據(jù)CL光譜性質(zhì)，CL的組織穿透性較弱，限制了應用。如何對CL的信號進行增強和轉換，以提升組織穿透性，彌補不足，是實現(xiàn)應用范圍進一步擴展的關鍵。目前，契倫科夫光信號增強的主要途徑是利用熒光激發(fā)效應實現(xiàn)[26]。Lewis等[27]用熒光染料與核素標記的顯像劑混合。結果顯示18F-FDG和熒光團的混合液比單獨的18F-FDG能夠產(chǎn)生更多的熒光，且多光譜的數(shù)據(jù)表明，18F-FDG和熒光團的混合液能夠產(chǎn)生紅色光譜段的位移，獲得了更好的組織穿透性。這種熒光光譜較吸收光譜紅移的現(xiàn)象被稱為斯托克斯位移(Stokes shift)。Dothager等[28]用斯托克斯位移量子納米顆粒(Qtracker 705)與18F和64Cu進行混合，也發(fā)現(xiàn)了CL光譜向紅光譜段移動。結果表明這種納米粒子可有效增加18F和64Cu產(chǎn)生的CL的波長。這種新的成像方式被命名為契倫科夫能量轉移成像(cerenkov radiation energy transfer imaging,CRET)。體外實驗發(fā)現(xiàn)CRET比高達8.8±1.1，而將含Qtracker的生物基底膜注入小鼠皮下發(fā)現(xiàn)，Qtracker 705濃度為200 nmol/L，5 min時的CRET比是2.1±0.2，而30 min時CRET比是1.8±0.2；Qtracker 705是500 nmol/L時，5 min時CRET比是3.5±0.3，30min時CRET比是2.2±0.3。除了以量子點為主的新興納米材料可作為增強轉換元件外[28-30]，稀土顆?；蚪饘偌{米顆粒[31-32]也可以實現(xiàn)對光信號的轉換。Ma等[32]發(fā)現(xiàn)將合成的摻雜Er3+、Yb3+稀土粒子可以將100 uCi18F的組織穿透能力從不足5 mm提升到2 cm左右。2014年，Sun等[31]進一步研究發(fā)現(xiàn)，在量子點表面修飾64Cu納米顆粒時測得的光強比64Cu在水中和單純混合64Cu與量子點測得的光強都大。這種成像模式不需要外部輻射，給腫瘤成像又提供了一種策略。

2013年，Thorek等[33]提出另一種新的成像策略——契倫科夫光二次誘導激發(fā)成像(secondary cerenkov induced fluorescence imaging , SCIFI)，即通過CL的生物特異性熒光轉換使用納米粒子實現(xiàn)激活成像。體外實驗發(fā)現(xiàn)，SCIFI的信噪比是普通成像的5.7倍。對腫瘤進行成像時，發(fā)現(xiàn)靶向的cRGD-QD605探針信號高于5倍非靶向成像。Thorek等[35]將金納米粒子與熒光素標記的疾病相關肽序列IPVSLRSG耦合，發(fā)現(xiàn)高表達基質(zhì)金屬蛋白酶-2(MMP-2)的組PET信號稍強但不明顯(P>0.05)，而SCIFI顯示明顯的活動性信號(P<0.001)。這提示我們可以使用納米粒子或靶向探針實現(xiàn)多種分子同時激發(fā)，以達到非侵入性區(qū)分、定量腫瘤之間的異質(zhì)分子，向個體化診斷和治療又邁進了關鍵一步。

4　CLI的臨床應用進展

盡管CLI已經(jīng)廣泛應用在動物模型的活體成像， 但由于受人類體型、器官深度、放射性核素濃度等問題，限制了CL向臨床轉化。目前只有2項研究實現(xiàn)了臨床應用。

Spinelli等[34]證明，在甲狀腺患者口服550 MBq131I 24 h后，甲狀腺CLI顯示良好的定位性，提示CLI是β-放射性試劑治療的患者表淺器官成像的潛在工具。盡管Spinelli表明甲狀腺亢進患者可實現(xiàn)CLI，但是實際在臨床上，這種劑量的碘可以被甲狀腺攝取，而使用在核醫(yī)學的其他放射性核素則不能。因此在2014年，Thorek等[35]首次使用普遍治療劑量的18F-FDG實現(xiàn)了淋巴瘤患者的淋巴結的CLI，發(fā)現(xiàn)PET陽性邊的CLI信號強度顯著高于PET陰性邊，并發(fā)現(xiàn)可定位的活動性甚至低至0.05 MBq/ml。

5　展　　望

與傳統(tǒng)方法相比，核素-契倫科夫雙模態(tài)顯像避免了對核素標記探針再次標記光學顯像元件的繁瑣程序和毒性隱患，極具發(fā)展?jié)摿εc臨床應用價值，將光學與核素現(xiàn)象融于一身的CLI將會是一種在未來十分值得關注的顯像方式。CL已經(jīng)成功地用于腫瘤顯像、療效評估等多種小動物顯像研究，并逐步用于淺表組織的臨床顯像研究。CRET和SCIFI雖然可提高光信號強度，但安全的熒光顯像劑是一個挑戰(zhàn)，未來就如何減少放射性核素的用量同時達到理想的成像效果仍有待進一步研究。

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(2015-01-12收稿2015-03-11修回)

(責任編輯張楠)