Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
MolecularImagingTherapy.jpg

Молекулярная визуализация - это область медицинской визуализации, которая фокусируется на визуализации молекул, представляющих медицинский интерес, у живых пациентов. Это контрастирует с традиционными методами получения молекулярной информации из образцов консервированных тканей, такими как гистология . Представляющие интерес молекулы могут быть либо молекулами, вырабатываемыми организмом естественным путем, либо синтетическими молекулами, произведенными в лаборатории и введенными пациенту врачом. Наиболее распространенным примером молекулярной визуализации, используемой сегодня в клинической практике, является введение контрастного вещества (например, микропузырька , иона металла или радиоактивного изотопа) в кровоток пациента и использование метода визуализации (например, ультразвук ,МРТ , КТ , ПЭТ ) для отслеживания его движения в организме. Молекулярная визуализация возникла в области радиологии из-за необходимости лучше понять фундаментальные молекулярные процессы внутри организмов неинвазивным способом.

Конечная цель молекулярной визуализации - иметь возможность неинвазивно отслеживать все биохимические процессы, происходящие внутри организма в режиме реального времени. Текущие исследования в области молекулярной визуализации включают клеточную / молекулярную биологию , химию и медицинскую физику и сосредоточены на: 1) разработке методов визуализации для обнаружения ранее необнаруживаемых типов молекул, 2) расширении количества и типов доступных контрастных агентов и 3) разработка функциональных контрастных агентов, которые предоставляют информацию о различных действиях, которые клетки и ткани выполняют как в отношении здоровья, так и болезни.

Обзор [ править ]

Молекулярная визуализация возникла в середине двадцатого века как дисциплина на стыке молекулярной биологии и in vivo.визуализация. Это позволяет визуализировать клеточную функцию и отслеживать молекулярные процессы в живых организмах, не беспокоя их. Многочисленные и многочисленные возможности этой области применимы для диагностики таких заболеваний, как рак, а также неврологических и сердечно-сосудистых заболеваний. Этот метод также способствует улучшению лечения этих нарушений за счет оптимизации доклинических и клинических испытаний новых лекарств. Также ожидается, что они окажут серьезное влияние на экономику благодаря более ранней и более точной диагностике. После описания генома человека молекулярная и функциональная визуализация приобрела новое направление. Новые направления в фундаментальных исследованиях, а также в прикладных и промышленных исследованиях усложняют задачи ученых и повышают требования к ним. Следовательно,индивидуальная программа обучения в порядке.

Молекулярная визуализация отличается от традиционной визуализации тем, что для визуализации определенных целей или путей используются зонды, известные как биомаркеры . Биомаркеры химически взаимодействуют с окружающей средой и, в свою очередь, изменяют изображение в соответствии с молекулярными изменениями, происходящими в интересующей области. Этот процесс заметно отличается от предыдущих методов построения изображений, которые в первую очередь отображали различия в качествах, таких как плотность или содержание воды. Эта способность отображать мелкие молекулярные изменения открывает невероятное количество захватывающих возможностей для медицинского применения, включая раннее обнаружение и лечение заболеваний и базовые фармацевтические разработки. Кроме того, молекулярная визуализация позволяет проводить количественные тесты, что придает большую степень объективности изучению этих областей. Одна из новых технологий - этоMALDI- визуализация молекул на основе масс-спектрометрии . [ необходима цитата ]

Многие направления исследований ведутся в области молекулярной визуализации. В настоящее время большое количество исследований сосредоточено на обнаружении так называемого предзаболевания или молекулярных состояний, которые возникают до того, как будут обнаружены типичные симптомы заболевания. Другими важными направлениями исследований являются визуализация экспрессии генов и разработка новых биомаркеров. Такие организации, как Центр инноваций и перевода в области молекулярной визуализации SNMMI (CMIIT) были созданы для поддержки исследований в этой области. В Европе другие «сети передового опыта», такие как DiMI (Диагностика в молекулярной визуализации) или EMIL (Европейские лаборатории молекулярной визуализации), работают над этой новой наукой, объединяя деятельность и исследования в этой области. Таким образом, создается европейская магистерская программа «EMMI» для обучения нового поколения профессионалов молекулярной визуализации.

Недавно термин молекулярная визуализация был применен к различным методам микроскопии и наноскопии, включая микроскопию живых клеток, флуоресцентную микроскопию с полным внутренним отражением (TIRF), наноскопию с моделированным истощением выбросов (STED) и атомно- силовую микроскопию (AFM), как здесь изображения молекул являются отсчетом.

Методы визуализации [ править ]

Существует множество различных методов, которые можно использовать для неинвазивной молекулярной визуализации. У каждого есть свои сильные и слабые стороны, и некоторые из них более искусны в визуализации нескольких целей, чем другие.

Магнитно-резонансная томография [ править ]

Молекулярная МРТ головного мозга мыши с острым воспалением в правом полушарии. В то время как неулучшенная МРТ не смогла выявить различий между правым и левым полушариями, введение контрастного вещества, направленного на воспаленные сосуды, позволяет выявить воспаление именно в правом полушарии.
Основная статья: Магнитно-резонансная томография

МРТ имеет преимущества очень высокого пространственного разрешения и очень хорошо подходит для морфологической и функциональной визуализации. Однако у МРТ есть несколько недостатков. Во- первых, МРТ имеет чувствительность около 10 -3 моль / л до 10 -5 моль / л , который, по сравнению с другими типами изображений, может быть очень ограничивающим. Эта проблема возникает из-за того, что разница между атомами в состоянии высокой энергии и состоянии низкой энергии очень мала. Например, при 1,5 Тесла , типичной напряженности поля для клинической МРТ, разница между состояниями с высокой и низкой энергией составляет примерно 9 молекул на 2 миллиона. [ необходима цитата ]Улучшения для повышения чувствительности МР включают увеличение напряженности магнитного поля и гиперполяризацию за счет оптической накачки, динамической ядерной поляризации или поляризации, индуцированной параводородом . Также существует множество схем усиления сигнала, основанных на химическом обмене, которые увеличивают чувствительность. [1]

Чтобы получить молекулярную визуализацию биомаркеров болезни с помощью МРТ, требуются таргетные контрастные вещества для МРТ с высокой специфичностью и высокой релаксацией (чувствительностью). На сегодняшний день множество исследований было посвящено разработке контрастных агентов для таргетной МРТ для достижения молекулярной визуализации с помощью МРТ. Обычно для достижения нацеливания применяют пептиды, антитела или небольшие лиганды и небольшие белковые домены, такие как аффитела HER-2. Чтобы повысить чувствительность контрастных агентов, эти нацеленные части обычно связывают с контрастными агентами для МРТ с высокой полезной нагрузкой или контрастными агентами для МРТ с высокой релаксацией. [2] В частности, недавняя разработка микронных частиц оксида железа (MPIO) позволила достичь беспрецедентного уровня чувствительности для обнаружения белков, экспрессируемых артериями и венами. [3]

Оптическое изображение [ править ]

Основная статья: Оптическое изображение
Визуализация сконструированной E. coli Nissle 1917 в кишечнике мыши

Есть несколько подходов, используемых для получения оптических изображений. Различные методы зависят от флуоресценции , биолюминесценции , поглощения или отражения как источника контраста. [4]

Наиболее ценным атрибутом оптической визуализации является то, что она и ультразвук не вызывают серьезных проблем с безопасностью, как другие методы медицинской визуализации. [ необходима цитата ]

Обратной стороной оптического изображения является недостаточная глубина проникновения, особенно при работе в видимом диапазоне длин волн. Глубина проникновения связана с поглощением и рассеянием света, которое в первую очередь зависит от длины волны источника возбуждения. Свет поглощается эндогенными хромофорами, обнаруженными в живой ткани (например, гемоглобином, меланином и липидами). Как правило, поглощение и рассеяние света уменьшается с увеличением длины волны. Ниже ~ 700 нм (например, длина волны видимого диапазона) эти эффекты приводят к малой глубине проникновения, составляющей всего несколько миллиметров. Таким образом, в видимой области спектра возможна только поверхностная оценка свойств тканей. При длине волны более 900 нм водопоглощение может влиять на соотношение сигнал / фон.Поскольку коэффициент поглощения тканью значительно ниже в ближнем инфракрасном (NIR) диапазоне (700-900 нм), свет может проникать более глубоко, на глубину до нескольких сантиметров.[5]

Изображение в ближнем инфракрасном диапазоне [ править ]

Флуоресцентные зонды и метки являются важным инструментом для получения оптических изображений. Некоторые исследователи применили NIR-визуализацию в модели острого инфаркта миокарда (ОИМ) на крысах с использованием пептидного зонда, который может связываться с апоптотическими и некротическими клетками. [6] Ряд флуорофоров ближнего инфракрасного диапазона (NIR) был использован для визуализации in vivo, в том числе красители и конъюгаты Kodak X-SIGHT, Pz 247, DyLight 750 и 800 Fluors, Cy 5.5 и 7 Fluors, Alexa Fluor 680 и 750. Красители IRDye 680 и 800CW Fluors. Квантовые точки с их фотостабильностью и ярким излучением вызвали большой интерес; однако их размер препятствует эффективному удалению из кровеносной и почечной систем, проявляя при этом долгосрочную токсичность. [цитата необходима ].

Несколько исследований продемонстрировали использование инфракрасных меченных красителем зондов в оптической визуализации.

  1. При сравнении гамма-сцинтиграфии и визуализации в ближнем ИК-диапазоне циклопентапептид с двойной меткой 111
    Для     визуализации ксенотрансплантатов меланомы, положительной по αvβ3- интегрину, использовали флуорофор In и NIR . [7]
  2. Меченный в ближнем инфракрасном диапазоне RGD, нацеленный на αvβ3- интегрин , использовался в многочисленных исследованиях для нацеливания на различные виды рака. [8]
  3. Флуорофор NIR был конъюгирован с эпидермальным фактором роста (EGF) для визуализации прогрессирования опухоли. [9]
  4. Флуорофор NIR сравнивали с Cy5.5, предполагая, что более длинноволновые красители могут производить более эффективные нацеливающие агенты для оптической визуализации. [10]
  5. Памидронат был помечен флуорофором NIR и использовался в качестве средства визуализации костей для обнаружения активности остеобластов у живых животных. [11]
  6. Меченый флуорофором NIR GPI, мощный ингибитор PSMA ( специфический мембранный антиген простаты ). [12]
  7. Использование человеческого сывороточного альбумина, меченного флуорофором NIR, в качестве отслеживающего агента для картирования сторожевых лимфатических узлов. [13]
  8. 2-дезокси-D-глюкоза, меченная флуорофором NIR. [14]

Важно отметить, что добавление NIR-зонда к любому вектору может изменить биосовместимость и биораспределение вектора. Следовательно, нельзя однозначно предположить, что сопряженный вектор будет вести себя аналогично нативной форме.

Однофотонная эмиссионная компьютерная томография [ править ]

Основная статья: Однофотонная эмиссионная компьютерная томография
ОФЭКТ-изображение (измеритель костей) МИП мыши

Развитие компьютерной томографии в 1970-х годах позволило картировать распределение радиоизотопов в органе или ткани и привело к технологии, которая теперь называется однофотонной эмиссионной компьютерной томографией (ОФЭКТ).

Агент визуализации, используемый в ОФЭКТ, излучает гамма-лучи, в отличие от излучателей позитронов (таких как 18
F ) используется в ПЭТ. Есть целый ряд радиоактивных индикаторов (например,99 мTc ,111В ,123Я ,201Tl ), которые можно использовать в зависимости от конкретного приложения.

Ксенон (133
Xe ) газ - один из таких радиоактивных индикаторов. Было показано, что он полезен для диагностических ингаляционных исследований для оценки легочной функции; для визуализации легких; а также может использоваться для оценки rCBF. Обнаружение этого газа происходит с помощью гамма-камеры - сцинтилляционного детектора, состоящего из коллиматора, кристалла NaI и набора фотоэлектронных умножителей.

Вращая гамма-камеру вокруг пациента, можно получить трехмерное изображение распределения радиоактивного индикатора, используя обратную проекцию с фильтром или другие томографические методы. Радиоизотопы, используемые в ОФЭКТ, имеют относительно длительный период полураспада (от нескольких часов до нескольких дней), что делает их легкими в производстве и относительно дешевыми. Это представляет собой главное преимущество ОФЭКТ как метода молекулярной визуализации, поскольку он значительно дешевле, чем ПЭТ или фМРТ. Однако ему не хватает хорошего пространственного (то есть, где именно находится частица) или временного (то есть, произошел ли сигнал контрастного вещества при этой миллисекунде или той миллисекунде) разрешении. Кроме того, из-за радиоактивности контрастного вещества существуют аспекты безопасности, касающиеся введения радиоизотопов субъекту, особенно для серийных исследований.

Позитронно-эмиссионная томография [ править ]

Основная статья: Позитронно-эмиссионная томография
Воспроизвести медиа
Воспаление суставов визуализации у мышей с артритом с помощью позитронно-эмиссионной томографии.
ПЭТ, МРТ и наложенные изображения человеческого мозга.

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) - это метод визуализации в ядерной медицине , позволяющий получить трехмерное изображение или картину функциональных процессов в организме. Теория, лежащая в основе ПЭТ, достаточно проста. Сначала молекула маркируется изотопом, излучающим позитроны. Эти позитроны аннигилируют с соседними электронами, испуская два фотона с энергией 511 кэВ, направленные на 180 градусов в противоположных направлениях. Затем эти фотоны обнаруживаются сканером, который может оценить плотность аннигиляции позитронов в определенной области. Когда произошло достаточное количество взаимодействий и аннигиляций, в этой области можно измерить плотность исходной молекулы. Типичные изотопы включают11
C ,13
N ,15
О ,18
F ,64
Cu ,62
Cu ,124
Я ,76
Br ,82
Rb ,89
Zr и68
Га , с18
F является наиболее используемым в клинической практике. Одним из основных недостатков ПЭТ является то, что большинство зондов должно быть выполнено на циклотроне. У большинства из этих зондов также есть период полураспада, измеряемый часами, что заставляет циклотрон находиться на месте. Эти факторы могут сделать ПЭТ слишком дорогим. Однако у ПЭТ-изображения есть много преимуществ. Прежде всего, это его чувствительность: обычный ПЭТ-сканер может обнаруживать концентрации от 10 -11 моль / л до 10 -12 моль / л.

См. Также [ править ]

  • Химическая визуализация
  • МИКАД
  • Прогностическая медицина
  • Трансляционная медицина
  • Мышиные модели метастазов рака груди

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Gallagher, FA (2010). «Введение в функциональную и молекулярную визуализацию с помощью МРТ». Клиническая радиология . 65 (7): 557–566. DOI : 10.1016 / j.crad.2010.04.006 . ISSN  0009-9260 .
  2. ^ Шэнхуэй, Сюэ; Цзинцзюань Цяо; Фан Пу; Мэтью Кэмерон; Дженни Дж. Ян (17 января 2013 г.). «Разработка нового класса контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии на основе белков для молекулярной визуализации биомаркеров рака» . Wiley Interdiscip Rev Nanomed Nanobiotechnol . 5 (2): 163–79. DOI : 10.1002 / wnan.1205 . PMC 4011496 . PMID 23335551 .  
  3. ^ Gauberti М, Монтань А, Quenault А, Вивьен D (2014). «Молекулярно-магнитно-резонансная томография иммунных взаимодействий мозга» . Front Cell Neurosci . 8 : 389. DOI : 10,3389 / fncel.2014.00389 . PMC 4245913 . PMID 25505871 .  
  4. ^ Weissleder R, Mahmood U (май 2001). «Молекулярная визуализация». Радиология . 219 (2): 316–33. DOI : 10,1148 / radiology.219.2.r01ma19316 . PMID 11323453 . 
  5. ^ Ковар JL, Симпсон М.А., Schutz-Geschwender A, Olive DM (август 2007). «Системный подход к разработке флуоресцентных контрастных агентов для оптической визуализации моделей рака мышей» . Анальный. Biochem . 367 (1): 1–12. DOI : 10.1016 / j.ab.2007.04.011 . PMID 17521598 . в формате PDF. Архивировано 11 февраля 2009 г. в Wayback Machine.
  6. ^ Ачарья, B; Ван, К; Ким, IS; Канг, Вт; Луна, C; Ли, BH (2013). «Визуализация гибели клеток миокарда in vivo с использованием пептидного зонда и оценка долгосрочной функции сердца». Журнал контролируемого выпуска . 172 (1): 367–73. DOI : 10.1016 / j.jconrel.2013.08.294 . PMID 24021357 . 
  7. ^ Хьюстон JP, Ke S, Ван Вт, Ли С, Sevick-Muraca Е.М. (2005). «Качественный анализ in vivo ближней инфракрасной флуоресценции и обычных гамма-изображений, полученных с использованием зонда, нацеленного на опухоль с двойной меткой». J Biomed Opt . 10 (5): 054010. DOI : 10,1117 / 1,2114748 . PMID 16292970 . 
  8. Перейти ↑ Chen K, Xie J, Chen X (2009). «Конъюгаты RGD-человеческий сывороточный альбумин как эффективные нацеленные на опухоль зонды» . Mol Imaging . 8 (2): 65–73. DOI : 10.2310 / 7290.2009.00011 . PMC 6366843 . PMID 19397852 . Архивировано из оригинала на 2014-03-26.  
  9. ^ Ковар JL, Джонсон М. А., Волчек WM, Chen J, Симпсон MA (октябрь 2006). «Экспрессия гиалуронидазы индуцирует метастазирование опухоли простаты в ортотопической модели мыши» . Являюсь. J. Pathol . 169 (4): 1415–26. DOI : 10,2353 / ajpath.2006.060324 . PMC 1698854 . PMID 17003496 .  
  10. ^ Адамс К.Э., Ке С., Квон С. и др. (2007). «Сравнение видимых и возбуждаемых в ближнем инфракрасном диапазоне флуоресцентных красителей для молекулярной визуализации рака». J Biomed Opt . 12 (2): 024017. DOI : 10,1117 / 1,2717137 . PMID 17477732 . 
  11. ^ Zaheer A, Lenkinski RE, Mahmood A, Jones AG, Cantley LC, Frangioni СП (декабрь 2001). «In vivo ближняя инфракрасная флуоресцентная визуализация остеобластической активности». Nat. Biotechnol . 19 (12): 1148–54. DOI : 10.1038 / nbt1201-1148 . PMID 11731784 . 
  12. ^ Humblet V, Lapidus R, Williams LR и др. (2005). «Высокоаффинные низкомолекулярные флуоресцентные контрастные агенты ближнего инфракрасного диапазона для визуализации in vivo простатоспецифического мембранного антигена» . Mol Imaging . 4 (4): 448–62. DOI : 10.2310 / 7290.2005.05163 . PMID 16285907 . Архивировано из оригинала на 2014-03-26. 
  13. ^ Ohnishi S, Lomnes SJ, Лоуренс Р., Gogbashian А, Mariani G, Frangioni СП (2005). «Органические альтернативы квантовым точкам для интраоперационного картирования дозорных лимфатических узлов в ближнем инфракрасном диапазоне» . Mol Imaging . 4 (3): 172–81. DOI : 10.1162 / 15353500200505127 . PMID 16194449 . Архивировано из оригинала на 2014-03-26. 
  14. ^ Ковар JL, Волчек W, Sevick-Muraca E, Simpson MA, Olive DM (январь 2009). «Характеристика и характеристики агента оптической визуализации 2-дезоксиглюкозы в ближнем инфракрасном диапазоне для моделей рака у мышей» . Анальный. Biochem . 384 (2): 254–62. DOI : 10.1016 / j.ab.2008.09.050 . PMC 2720560 . PMID 18938129 .  в формате PDF. Архивировано 13 июля 2011 г. в Wayback Machine.