作者：高永恆 康飛 楊衛東 汪靜 第四軍醫大學附屬西京醫院核醫學科
基於切倫科夫效應（即放射性核素在產生高能射線的同時可以產生可探測光的特性）的核素切倫科夫光學成像（Cerenkov luminescence imaging, CLI）是近年發展起來的新興的分子影像學方法，在腫瘤診斷、療效評估及分子探針體內代謝檢測等方面得到了廣泛的研究和嘗試。在臨床轉化方面，Spinelli等首次對131I治療的甲狀腺功能亢進症患者成功進行了CLI；最近，Thorek等成功利用診斷劑量的18F－FDG對淋巴瘤患者的淋巴結進行了CLI，Hu等對利用內鏡CLI探查胃腸道腫瘤進行了報導。
但是，CLI的生物應用仍存在諸多不足，這主要由切倫科夫光信號穿透力弱所致。切倫科夫光譜主要集中在藍紫光帶（波長500 nm左右），而目前較為成熟的光學成像技術的發射光譜大都在近紅外段（波長700～900 nm）。光信號波長越接近紅外段，其組織穿透性越好；越接近紫外段，其組織穿透性越差。因此，切倫科夫光信號的組織穿透力有限，加之其本身強度較弱，這都影響了CLI的成像效果，限制了其臨床應用。CLI成像效果可以從以下2個方面加以改進。
一、增強核素切倫科夫光信號的穿透力和強度
主要方法是通過切倫科夫能量轉移（Cerenkov resonance energy transfer，CRET）效應將波長較短的切倫科夫光信號轉換為波長較長的近紅外光信號，從而增強光信號的穿透力。
1．量子點（quantum dot, QD）。作為1種無機納米材料，QD具有高量子產率及良好光學穩定性。基於QD的CRET，是以產生切倫科夫冷光的核素作為激發光源，以QD作為激發光的接受體，從而將切倫科夫光信號轉化為近紅外光信號。該方法既沒有外照射的幹擾，又降低了本底信號，具有良好的應用前景。起初，關於CRET的研究是通過將切倫科夫冷光光源與QD隨機混合成溶液後進行成像，這容易導致兩者生物學分布不匹配。Sun等通過可控方式（陽離子交換反應）將切倫科夫冷光光源（64Cu）整合到QD中，並利用該探針對荷瘤小鼠模型進行顯像，結果顯示，在不需要外照射的情況下，該系統能對腫瘤進行良好顯像，這為活體腫瘤的探測及顯像提供了1種精確、便捷的方法。Kotagiri等設計了1種以QD螢光基團為切倫科夫冷光接受體、以64Cu為切倫科夫冷光光源、以DNA為隔離片的分子探針，可通過改變DNA長度來調節激發光源和接受體之間的距離，進而研究QD螢光基團與放射性核素間距離對光信號強度的影響。研究結果顯示，QD螢光基團與64Cu之間的距離分別為1 nm和31 nm時，探測到的光信號強度分別較初始值增加了33%及58%。
Thorek等研發了1種新的成像方法——繼發切倫科夫激發螢光成像（secondary Cerenkov－induced fluorescence imaging，SCIFI），其原理也是基於CRET效應，利用核素產生的切倫科夫冷光激發QD螢光基團，繼而產生可探測的二次光信號。通過將89Zr－去鐵胺－曲妥珠單克隆抗體及具有血管靶向性的RGD－QD605混合後，注入荷瘤小鼠體內，然後分別行PET、CLI及SCIFI顯像，結果顯示SCIFI本底信號較CLI明顯降低，對ROI的成像效果也明顯優於CLI。此外，利用SCIFI還可檢測體內生物酶活性。Thorek等設計了1種可檢測MMP－2的智能探針。正常情況下，與納米顆粒連接的螢光探針羥基螢光素（carboxfluorescein, FAM）不會受激發產生光信號；當體內MMP－2水平增高時，會使FAM從納米顆粒複合體上解離，形成游離的FAM，而游離的FAM可以在核素的激發下產生螢光信號，繼而可以通過SCIFI進行顯像。通過對兩側腋窩分別接種MMP－2高表達和低表達腫瘤細胞的荷瘤小鼠進行顯像，發現CLI可同時顯示雙側腫瘤（檢測18F－FDG的信號），而SCIFI僅見MMP－2高表達一側腫瘤顯像。
2．納米金。相比於有生物毒性的QD材料如CdSe、CdTe，納米材料沒有毒性。Hu等報導了1種新型自發光Au納米簇（64Cu摻雜的Au納米簇）材料，並利用該材料對U87MG荷瘤鼠模型分別進行PET和基於CRET的近紅外螢光顯像，結果令人滿意。貴金屬（如金、銀、鉑等）具有局域表面等離子共振（localized surface plasmon resonance，LSPR）效應，具有吸收和產生不同波長光信號的能力，具有潛在的CLI優勢。Black等以EMT6乳腺癌荷瘤鼠為研究對象、採用198Au標記的4種不同形狀（球狀、杆狀、盤狀、籠狀）的納米晶體為顯像劑、通過CLI和放射自顯影，監測了腫瘤對納米晶體的吸收及其在腫瘤內的生物學分布。結果顯示，球狀納米金相比其他3種形狀的納米金材料具有更長的血液滯留時間和更低的清除率，其腫瘤吸收率也最高。該研究發現，杆狀納米金和籠狀納米金能夠深達腫瘤內部，而球狀納米金和盤狀納米金只能達到腫瘤表面，這也為製備光熱型腫瘤治療藥物提供了新思路。進一步的研究重點在於，要盡力提升這些納米材料的血液循環半衰期，降低肝、腎、脾的吸收率，繼而降低周圍本底信號，另外可以嘗試對納米材料進行生物標記，增強其腫瘤靶向性。
3．稀土微粒（rare－earth microparticles，REMP）。除具有高光學穩定性、長壽命周期及低細胞毒性等特點外，REMP還可將低能量光子轉換為高能量光子，也可將高能量光子轉換為低能量光子，這就使得其可被藍紫光譜和近紅外光譜的光雙重激發，並且通過控制激發源各成分的比例，得到適用於體內成像的光信號。Ma等利用該特性，設計了1種新型的、摻雜了Er3＋和Yb3＋的REMP，該微粒可被波長低於650 nm和高於700 nm的切倫科夫冷光雙重激發，發射光譜波長在650 nm到900 nm之間；當其分別與Na131I和18F－FDG混合後作為顯像劑，對生物仿體和假瘤裸鼠模型進行CLI時，探測到的切倫科夫光信號大約是單獨使用Na131I和18F－FDG時的2倍，並且探測到的光譜波長峰值在660 nm左右，這大大增加了切倫科夫光信號的穿透力和強度，為後續臨床應用提供了新的策略。
4．高能核素探針。研究表明放射性核素的能量越高，其產生的切倫科夫光信號就越強。Carpenter等設計了90Y標記的核素探針90Y－聚乙二醇環RGD二肽，並分別對荷瘤小鼠注射18F－氟丙酸乙酯－聚乙二醇環RGD二肽和90Y－聚乙二醇環RGD二肽後行CLI，結果顯示，90Y標記探針的顯像靈敏度較18F標記探針提高了約207倍，具有良好的信噪比，這為增強切倫科夫光信號強度及改善CLI效果提供了新的思路。
二、改進核素CLI方式
CLI方式的改進主要包括：通過內鏡成像觀察深部組織；開展切倫科夫斷層成像提高空間解析度；利用不同組織對切倫科夫冷光吸收程度的不同行陰性對比成像等。
1．切倫科夫光學內鏡（Cerenkov luminescence endoscopy，CLE）成像。傳統的內鏡成像是解剖成像，難以區分正常組織和病變組織。Liu等研發了1套基於光纖的CLE成像系統，該系統以18F－FDG為顯像劑，由於內鏡能夠到達組織深處，從而可以有效減少組織對切倫科夫光信號的吸收，並且18F－FDG具有在相應病灶特異性濃聚的特點，這些均有助於該系統對相應病灶的探查。利用該CLE系統對荷瘤小鼠進行的微創腫瘤切除手術結果顯示，CLE能夠探測體內腫瘤組織，並且可以指導腫瘤切除手術。進一步的研究重點在於如何提高該成像系統的靈敏度和解析度，從而達到準確顯像和精確指導的目的。
2．切倫科夫光學斷層（Cerenkov luminescence tomography，CLT）成像。光學三維斷層成像能夠提供精確的病灶立體信息。Li等率先以18F－FDG為示蹤劑，通過CCD相機對小動物實行CLT成像，但受光子散射影響，CLT成像的解析度遠低於PET。Spinelli等通過對若干窄帶通濾波器產生的平面圖像進行三維重建，得到了較滿意的CLT成像結果，但成像耗時較長。Hu等對腹部植入131I放射性示蹤劑的小鼠模型行CLT成像，通過自適應高階有限元方法進行圖像的三維重建，所得結果與SPECT結果相比具有很好的相關性；進一步的半定量混合型光譜CLT成像方法在保證圖像解析度的前提下，使得成像時間大大縮短。
3．陰性對比成像。該成像方法是利用不同組織對切倫科夫冷光吸收程度的不同而開展的。Steinberg等根據血管中RBC較體內其他組織對紅光及近紅外段光具有更高吸收率的特性，通過採用具有高光子產出以及在血液中具有較長半衰期的68Ga－GaCl3作為顯像劑，開展了陰性血管對比成像研究。結果證實，血管的切倫科夫光信號明顯低於周圍組織，而腫瘤血管由於內徑較大、血容量較多，對切倫科夫冷光的吸收更強，具有更好的陰性對比結果。
4．其他。除上述方法外，還可通過優化系統相關計算方法及提升光學探測元件靈敏度來改進CLI效果。Hu等利用近似擴散原理，建立了新的三維重建算法，提高了三維重建的準確度；並在優化光信號傳輸算法的基礎上，初步建立了利用CLI的體內定量測量方法，有效地推動了CLI定位和測量的準確性。Teymurazyan等開發了1種新型切倫科夫門戶成像設備，該設備採用光導之間的空氣替代普通光纖的包覆層，利用空氣可以顯著降低折射率的特性，極大地優化了光子的收集效率。
CLI作為1種新型的成像技術，能夠利用核素切倫科夫效應對核素進行光學成像，並且與核素顯像具有良好的匹配性。但其進一步的生物應用受到了切倫科夫光信號較弱、組織穿透性較差等缺陷的限制。除了上述幾種改進方法外，還可以在如何提升CLI成像解析度和靈敏度、增強探針靶向性及改善顯像劑藥代動力學表現等方面進行有益的嘗試，以促進核素CLI的進一步應用。
來源：中華核醫學與分子影像雜誌2016年第36卷第1期
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