分子成像

Molecular Imaging

        陈 义(中国科学院化学研究所活体分析重点实验室 北京 100190)
        袁 勋(中国科学院化学研究所活体分析重点实验室 北京 100190)
        张铁鸣(中国科学院化学研究所活体分析重点实验室 北京 100190)
        廖 滔(中国科学院化学研究所活体分析重点实验室 北京 100190)
        梁 锴(中国科学院化学研究所活体分析重点实验室 北京 100190)

         分子成像,表面等离子体共振成像,质谱成像,新型光学显微成像,发展现状与趋势,前景

        molecular imaging, surface plasmon resonance imaging, mass spectrometry imaging, stimulated emission-based

        文章讨论了分子成像的含义、价值、国内外发展现状、趋势与前景等,重点总结分析了最新分子成像方法的发展状况,简要分析了我国在此领域研究的现状,基于分子成像的重大发展前途,建议我国重视分子成像研究。

        This paper discusses the molecular imaging in respect of its definition, significance and trends of development worldwide, with emphases on creation of novel imaging methods from new principles or by breakthrough of optical diffraction limit with the mechanism of stimulated emission. Some of the latest molecular imaging techniques were introduced and current status of this fied in China was briefly overviewed. Based on the fact that this molecular imaging is a highly promising field, we suggested high attention should be paid in China.

         成像的影子无处不在,比如湖里清澈的倒影,江中荡悠的青山,镜中令你凝视的青丝,水下使人联想的明月……。现代生活更离不开成像,照相、电影、电视、胸透、CT(断层扫描成像)、B-超等等,随处可见。其实,现代科学的发展也正越来越多地依赖于成像:它使复杂无趣变得简单生动,使隐晦高深变得直观明白。

        图像使科学显示出平和亲切的个性,人人喜欢。

        一张图像可以抵得上长篇累牍的大论,或繁复费力的数据表格!

        成像尤其是分子成像因此得以发展。

         这里的所谓分子成像,是指借助分子的某些性质来构建一种空间分布图形并用以分析研究物体或样品的组成、结构、功能等。所以实际上其是分子成像分析的简称。

         分子成像可以发展成为一种多水平、多参数、高通量分析新方法家族,将推动分析化学、生命科学、医学、医药乃至大型工业以及日常生活发生新的变革。

         分子成像的内容十分丰富,下及原子分子,上达宇宙天体。大家耳熟能详的成像如遥感、天体成像、日常照相、X-光透视、CT、磁共振成像(MRI)、凝胶印记转移等属于宏观大尺度成像,显微镜、荧光共焦、扫描探针成像等则属微观成像,它们全都有赖于分子或原子及其组装体的各种性质,没有这些性质,成像便无从谈起。

         成像的历史至少可追溯到铜鉴出现的古代,如春秋战国。现代成像应追溯到尼埃普斯与达盖尔等人发明的照相术。现代科学成像的出现,可能与天文望远镜[2]和显微镜[3]的发明相关,更应归功于伦琴发现的X-射线及在活体拍照上的应用[4]。X-射线在临床医学应用[5]中显露的强大功能带动了CT[6]、MRI[7]和计算机放射(CR)[8]等成像技术的发展。

        

         上世纪80年代以后,随着扫描隧道电镜(STM)[9]、原子力显微镜(AFM)[10]及高分辨透射电镜[11]等的发展,成像从宏观深入到分子乃至原子层面。近十几年,新型分子成像方法开始出现,如表面等离子体共振成像(SPRI)[12-14]、质谱成像(MSI)[15]、光声成像[16]以及基于分子示踪的各种分子影像方法[17]等,正在生命科学等中发挥重要的作用[18]。

         分子成像研究正在积蓄力量,孕育着的发展,主要表现在以下几个方面:

         成像速度、灵敏度和分辨率决定了成像的品质,其研究一直备受重视。比如为提高CT的速度,它从非螺旋变到了螺旋和双螺旋扫描[19],而且随着超快陶瓷闪烁体、环形等检测器的应用,其扫描时间缩短到了50毫秒。结合使用强大的计算机软件(如Lung Care计算辅助检测软件 (CAD)等),还进一步提升了CT数据的处理速度,更进一步提高了对病灶的准确研判[20]。软件的发展也降低了对硬件的要求。如在光学成像中发展新算法,不仅提高了图像的信噪比(图1),还降低了光源的强度,从而减少了光漂白程度和对生物的伤害[21]。革新型MRI如弥散张量MRI改用水分子运动为成像依据,可展示非常清晰的脑部神经(图2),其已成为脑神经研究的重要工具[22]。

         成像速度还与光源和检测器相关。飞秒激光的应用,使得飞秒级能量转移等超快过程的研究成为可能。近年来,光学成像检测器也有很大的发展,如CCD像素已达几千万,可检测单分子[23],对痕量成分的快速高分辨成像非常有利。

        

        

         此外,高速成像也在发展之中。所谓高速成像是指每秒至少可以拍摄128帧图像(128Hz)且最少有3帧连续的图像技术[24]。目前最快的CCD可达1MHz[25],但高速CCD收集的光子数减少,灵敏度会降低。采用连续时间编码放大显微技术(Serial time-encoded amplified microscopy,STEAM)[26]可提速到6.1MHz(帧时163 ns),其已用于微流控芯片中颗粒移动的研究,并有望用于细胞中快速分子过程的研究。

         新成像方法与技术的出现,可能影响到科学研究、临床医学乃至生活的多个方面。同时,成像还是新产业的源泉,因此受到欧美等发达国家的高度重视。近年来,成像新方法的发展非常活跃,展现了一种新的态势,下面试举一些例子。

         SPRI出现于1983年前后,从90年代中期后开始逐渐发展,现国际上已有至少5个厂家推出了商品仪器。国内研究始于1997年前后,中科院化学所、清华大学、浙江大学等参与了研究,其中化学所已研制出多型商品样机(图3)[12-13],还构建了高密度可寻址蛋白质芯片的制备方法和平台,能制备各种高密度芯片(图4)。但这些工作还都没有走出实验室,形成产业。

         SPRI是一种实时、免标记、高灵敏、高通量的表面折射率敏感型分子成像新方法,颇似生物芯片,但更适合天然生物分子的研究,可并行研究反应过程或分子识别事件[12,13,27],如DNA-DNA[28]、RNA-DNA[29]、 DNA-蛋白[30]、 RNA适配体-蛋白质[31]、抗体-抗原[32]和糖-蛋白质[33]识别等。结合利用共振散射原理和高数值孔径物镜,SPRI的空间分辨率可突破波长的限制,能用于研究病毒和数百纳米的颗粒[34]。

         MSI是以分子及其碎片之质/荷比为信号的分子成像新方法,采用扫描成像方式[35,36],信息丰富,能一次构建不同的图像(图5A)。结合切片技术,MSI可以重构3D图像(图5B)[36],可免标记构建生物组织的分子分布与种类图[37]。

        

        

        

        

         MSI源于1962年Castaing和Slodzian的工作成果[38],MALDI的出现使利用生物大分子成像[39]成为可能,而2003年出现的DESI则实现了大气中的质谱成像[40]。目前的研究机构主要集中在美国,有美国质谱研究中心[41]、普度大学[40]、滨州大学[42]、加州大学圣地亚哥分校[43]、华盛顿大学[44]等。国内有中科院、清华大学、军科院等参与研究,其中清华大学张新荣教授等用MSI研究了中国字画(图6)[45],效果甚好。

         MSI灵敏度高,已能检测到500 amol的分子。基于MALDI的分辨率约25μm[46],而基于SIMS(次级离子解吸)则可达到50nm[47],能用于亚细胞结构的观察。MSI在生物学、医学等领域可发挥重大的作用。MSI的产业化前景看好,但国内尚无人参与。

         光学成像的分辨率受制于光波衍射极限,一般在微米级水平,但近年来有新的突破,提升到了数十纳米水平[48],关键是发展了光斑压缩和发光基团定位技术。

        

        

         光斑压缩技术是Hell教授等人于2006年提出的[49],他们利用相位调制衍射光圈激励相干辐射(STED,图7A-C)来削尖荧光(图7D),使成像分辨率达到20nm—30nm,优于激光共焦(图7G与H)。

         基团定位技术由3个研究组[50-52]独立提出,它包含一系列移位光控操作,用以开、关标记在样品上的光敏荧光分子,每一操作只随机开关视野中的一种荧光基团并记录其位置(图8A),如此循环至遍寻每个荧光基团,就可重建出高分辨的荧光图像(图8B、C),分辨率约20 nm。

         谢晓亮教授等首先于2008年报道了受激拉曼显微成像法[53-54],他们用一束近红外激光脉冲泵浦基态粒子,再用另一束激光脉冲激励辐射。若调节其频差,使与分子振动能级匹配,即产生受激Stokes辐射(图9A-C),它吸走高频泵浦光束的能量(图9B),产生拉曼增强。频差不匹配时无此现象。由此实现了低背景、高灵敏的拉曼成像。

        

        

         他们还于2009年提出了另一种受激发射显微成像方法,用以检出因快速的非辐射耗散而来不及发荧光的暗生色基团。他们将泵浦和激励激光脉冲频率加快到~200飞秒,并让激励脉冲滞后~300飞秒,成功地使受激辐射速度超过非辐射能量耗散,实现了暗生色基团的检出,能检出约60nm的结晶紫,可用于色蛋白、绿色荧光蛋白的非荧光变体、基因表达、皮肤内药物以及微血管等的成像[55]。

         造影剂能增强图像效果,是分子成像的研究热点,内容多、进展快。近几年已从X-射线、超声等类造影剂研究拓展到荧光示踪分子和MRI造影剂。新的荧光探针有量子点[56]、生物相容的红色或近红外荧光蛋白[57-58]等。关于MRI造影剂,除顺磁性金属钆复合物外,还发展了超顺磁Fe2O3纳米粒子、可实现频率编码成像[59]的化学交换饱和转移(CEST)类试剂等。我国在医学相关的造影剂研究上有较好的工作。

        

        

         分子成像的应用研究领域广泛,但最近期的重点可能还是单分子成像和活细胞、活体成像等。单分子成像可揭示分子的个体差异,是研究生命过程的分子机制,如分子马达、单分子酶促动力学、活细胞信号分子实时监测[60]以及DNA的复制、转录、解旋、解链和包装等的重要手段。最近它还被用于大肠杆菌中基因表达蛋白质与信使RNA的数量关系研究,结果显示基因表达具有明显的随机性[61]。利用AFM修饰探针拍摄到了并五苯单分子的结构图,与理论预测的分子结构相当一致(图10)[62]。

        

        

        

        

        #$TAB活细胞与活体成像除了传统的CT、MRI、PET和超声技术外,荧光示踪成像研究相当活跃[63],但荧光穿透深度有限,仅适用于小鼠等小型动物的成像[64]。在传统成像技术中,PET的灵敏度和特异性较高,已用于肿瘤的诊断和治疗过程的监测[65],还可用于心肌葡萄糖代谢成像、测灌注缺损区心肌细胞存活判断等。另外,MRI对思维活动的研究也比较活跃[66]。

         分子成像技术还能形象显示微观反应过程。比如中科院基因组所的杨学明研究员等,利用成像术揭示了H+D2→HD+D反应中的化学反应势垒型量子过渡态结构,观测到了奇特的前向散射现象,澄清了势垒型量子过渡态与反应共振态在动力学上的差异。他们还利用自制的氢原子里德伯态飞行时间谱-交叉分子束装置,将氟原子激发态与氟原子基态的反应产物完全分开,发现在低能碰撞时,氟原子的激发态比基态的反应性高,证明了玻恩-奥本海默近似在低能氟加氘反应中失效了[67-68]。

         近10年来分子成像发展非常迅速,但这也还只是一个开始。我们确信,分子成像将有非常大的发展前景,原因有五:第一,已开发的成像信号还只是很小的一部分,还有大量的信息有待开发利用,如物质波、各种作用力和种种化学反应特性等,新信号的开发势必导致新型成像方法的建立;第二,现有分子成像方法还有待进一步挖掘,包括多种技术的联用等;第三,分子成像的应用亟待开拓,化学各领域还甚少涉及成像研究;第四,造影剂的研究余地很大,是化学工作者应该努力的领域;第五,欧、美、日等发达国家在成像研究方面陆续有巨大的投入,美国从1997年前后就开始组织专题讨论会,带动了国际成像研究的发展。

        

        

         我国的分子成像研究主要是个别科学家的自觉投入,因此规模很小。多数研究跟踪性明显,自主性差。我国的创新性成像基础研究几乎没有企业参与,总体上缺乏国家力量的支持和指导。不过这种情况在最近两三年内有所改观,比如国家基金委化学部分析学科特别将成像研究列进了资助主题,这将有效地推动我国成像研究的发展。作者认为,分子成像将在科学、民生、产业等方面显示重大价值,我国应该加紧启动研究,制定相应的促进措施,尽早展开适度规模的研究,形成从基础研究到中试研发、再到企业生产的有效链接。否则,我国不仅会在成像基础研究方面再一次落后于世界,还会在分子成像产业方面再步其他科学仪器的后尘。这有待于大家的共同努力。