第1章 绪 论
1.1 疾病诊断与治疗的重要意义和现有方法
1.1.1 疾病诊断与治疗的重要意义
自20世纪90年代以来，随着国民生活水平的提升，我国疾病谱发生了翻天覆地的变化，心血管疾病和恶性肿瘤等疾病已逐渐成为严重危害我国居民健康的主要疾病。国家卫健委曾以十个城市的上班族为样本进行健康调查，结果表明处于亚健康状态的人占48%，其中脑力劳动者高于体力劳动者，中年人高于青年人。《中国肿瘤登记年报》显示，2021年在中国每10 min就有55人死于癌症。其中，心脑血管相关疾病每年死亡人数约260万人，新发癌症病例数约为220万，并且在临床上发现的癌症病例大多数处于癌症晚期。这些数字表明，心脑血管疾病和恶性肿瘤已经成为我国的主要致死性疾病。而对于恶性疾病来说，早发现、早诊断、早治疗是*佳应对方式。因此，如何快速和精准地进行疾病检测及更有效地治疗疾病是当代医疗健康的一个重要议题。
为了解决上述问题，医学影像学[1]应运而生并迅速发展，逐渐从临床医学中的辅助学科转变成为支柱学科。与此同时，医学影像学领域开枝散叶，分子影像学与基因影像学等分支领域的相继出现与蓬勃发展为临床医生提供了大量全新高效的诊断方式，提升了临床医生对疾病病情的掌握与预后的判断。目前，临床医生进行疾病诊断的方法主要有症状诊断、超声波诊断、X射线诊断、内窥镜诊断、放射性核素诊断[2]等方法，其主要确诊方式大多数依赖于影像学手段。其中，分子影像学以其特有的优势可以从分子和细胞的水平来揭示疾病的发生、发展与转归，引起疾病诊疗领域的研究者的广泛关注。目前，临床上*常使用的分子影像学检查方式主要有磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）[3]、正电子发射计算机断层成像（positron emission tomography/computed tomography，PET/CT）[4]、超声[5]和光学成像[6]等。
1.1.2 疾病诊断与治疗的现有方法
目前，临床上已有多种成像技术手段用来辅助医生诊断。常见的有以下四类技术。
1. 核素成像技术
近年来，基于金属同位素的核素成像技术（radio nuclide imaging）已发展成为一个备受关注的领域，如单光子发射计算机断层成像（single photon emission computed tomography，SPECT）[7]和PET/CT[8]。PET/CT是一种分子成像方式，依赖于检测正电子与电子发生湮灭时发出的两条反平行的共线伽马射线（511 keV）[9]。
核素成像的应用主要包括以下几个方面：
1）基因表达分子成像
该技术主要包括两种，即反义PET显像和报告基因PET显像。
（1）反义PET显像：反义成像属于内源性基因表达成像的一种手段，其成像较为困难。它是指将被正电子核素标记的反义寡脱氧核苷酸作为成像试剂，在与生物体内的细胞中相应的靶向mRNA结合后可进行PET成像，此种方法可对DNA的转录情况进行直观判断[10]。
（2）报告基因PET显像：此类成像方式主要包括以Ⅰ型单纯疱疹病毒胸腺嘧啶脱氧核苷激酶（HSV1-tk）基因为代表的酶报告基因PET成像方式[11]和以多巴胺受体为代表的多巴胺受体（D2R）报告基因成像方式[12]。
2）蛋白质分子显像
当前临床使用*为广泛的PET代谢造影剂是2-18F-2-脱氧-D-葡萄糖（FDG）[13]。FDG随细胞对葡萄糖摄取量的增加而在细胞中积累。FDG通过葡萄糖转运子1跨膜进入细胞并在己糖激酶的作用下转变为6-PFDG，后者在细胞内不进行代谢，*终在细胞内累积。因此，放射性核素标记FDG的积聚水平，可以代表该部位的糖代谢速率。为了进一步提高核素成像的肿瘤特异性，18F-3′-脱氧-3′-氟代胸腺嘧啶（FLT）被进一步开发用于临床PET/CT。该造影剂的原理是基于内源性胸腺嘧啶激酶的磷酸化，用于测定细胞增殖和内源性胸腺嘧啶激酶活性，具有较好的肿瘤组织滞留性，常用于膀胱和前列腺癌等肿瘤的鉴别诊断。此外，还有一类常用的PET/CT造影剂是基于胆碱代谢途径发挥作用[14]，其代表性试剂为11C-胆碱、18F-甲基胆碱及18F-乙基胆碱。
3）受体分子成像
此类成像方式中以对多巴胺能神经系统的研究*为成熟，其常用的成像剂为6-18F-L-多巴（FDOPA）[15]、18F-β-CIT-FP[16]、3-N-(ω-18F-氟乙基)螺环哌啶酮（18F-FESP）[17]，分别可以对多巴胺能神经递质、多巴胺能转运蛋白和多巴胺能受体进行显像。此类成像方式主要用于神经精神系统疾病诊断和研究[18]。
核素成像拥有极高的灵敏度，是目前*完善的分子显像技术，然而，因图像分辨率和解剖结构不清晰等问题在许多情况下无法获得满意的成像。
2. 核磁共振成像技术
核磁共振成像（nuclear magnetic resonance imaging，NMRI）是利用核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中衰减的不同，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像[19]。具有对生物体无创伤、无射线辐射危害和高空间分辨力等优势。在临床上，可用于获得三维人体解剖结构、病理学诊断、代谢过程、血流灌注成像、器官运动观测、组织活性检测和心理学检查等多种信息[20]，目前临床中主要应用的有以下两类。
（1）超顺磁性探针。此类探针主要以超顺磁性氧化铁颗粒（SPIO）[21]、超微超顺磁性氧化铁颗粒（USPIO）[22]和单晶体氧化铁颗粒（MION）[23]为代表。SPIO由Fe3O4和Fe2O3组成中心，外层包裹碳氧葡聚糖，形成直径为40～400 nm大小的纳米颗粒，可以进入肝、脾脏的网状内皮系统。USPIO是一类具有更小粒径的氧化铁颗粒，其*大直径不超过30 nm，可以被淋巴结及骨髓摄入。USPIO的半衰期为1～3 h，具有更好的增强成像效果。MION的直径在5 nm左右，MINO类探针具有生物相容性好、易于跨膜运输等优点，是应用*为广泛的超顺磁性探针。
（2）报告基因系统。MRI的报告基因系统主要包括下列三种：酪氨酸酶-黑色素系统、β-半乳糖苷酶系统和转铁蛋白受体（TfR）[24]。在酪氨酸酶-黑色素系统中，酪氨酸酶在生物体内催化生成黑色素，黑色素与铁特异性结合后组织T1的弛豫时间随之缩短，利用这个变化可以间接检测到生物体内酪氨酸酶基因的转移与表达。在β-半乳糖苷酶系统中，基于生物体内的β-半乳糖可以与钆试剂特异性结合的性质，随着结合过程的发生MRI的信号强度会逐渐降低；之后二者的结合产物会再被β-半乳糖苷酶水解，钆试剂被重新释放出来，MRI信号强度也随着钆试剂浓度的增加而增强。利用MRI可以动态监测β-半乳糖苷酶水解前后信号强度的变化，定量监测到活细胞内β-半乳糖苷酶的活性，从而对生物体进行细胞水平上的疾病诊断。转铁蛋白-单晶体氧化铁颗粒（Tf-MION）和抗TfR抗体-单晶体氧化铁颗粒（anti-TfR Ab-MION）是目前临床上使用*为广泛的TfR系统，在细胞活动监测和活体动物检测两方面的成像都有不同的应用前景。
MRI示踪剂的半衰期较长[25]，常被用于监测活细胞的动态过程并且MRI示踪剂时间和空间的分辨率均较高，临床常用MRI检查诊断脑结构变化[26]。但在临床实践中发现MRI检测的靶向敏感性较低，需要添加并改善信号扩增系统从而提高其靶向性。
3. 超声成像技术
超声成像是通过超声声束扫描活体，接收并处理超声的反射信号，从而获得活体内各部分器官的图像，具有无创伤、无辐射、价格低廉、检查方便等优点[27]。目前在临床上主要用于肝脏、心脏和肾脏等实质脏器的检查，用于评价脏器血流灌注，是否有局灶病变及脏器功能的情况[28]。
目前，超声分子成像技术主要借助于微泡显像[29]，检测患者早期体内在细胞水平和分子水平的异常。微泡超声显像方法包括：
（1）利用微泡的外壳与靶向细胞结合进行成像：如外壳上有白蛋白的微泡可以通过白蛋白与白细胞壁之间的黏附作用，从而黏附到白细胞壁上用于检测体内炎症部位[30]。
（2）通过位于外壳上表面受体与激活白细胞之间的相互作用来检测体内疾病：如将可识别内皮细胞表面的单克隆抗体与微泡表面的脂质体结合，应用于缺血再灌注损伤的模型进行显像[31]。
（3）将微泡外壳与抗体或肽聚糖结合，抗体或肽聚糖在肿瘤处可被特异性识别，从而用于检测肿瘤部位的异常新生血管，有助于肿瘤的早期诊断、评价抗血管生成药物的治疗效果。
但是超声成像也存在着一些缺陷，其清晰度和分辨率较差，并且成像容易受到胃肠气体的干扰，故更多地用于疾病的初步诊断[32]。
4. 光学分子成像技术
光学分子成像是指通过光学检测手段，对活体体内的细胞、组织进行成像，从而获得清晰准确的生物学信息。近年来，活体动物体内光学成像常使用生物自发光成像和荧光光学成像两种检测手段。
（1）生物自发光成像是指通过基因编辑技术将萤光素酶基因表达在细胞内或者标记DNA。体内环境中存在足量的ATP和氧气时，将外源性特异性底物注射入动物体内，通过生物反应产生发光现象，从而检测或者观察活体生物体内的疾病情况[33]。
（2）荧光光学成像是指通过荧光报告基因对生物体进行标记，然后通过特定的激发光激发荧光分子，分子处于激发态后，其从激发态回到基态的过程中发出荧光。绿色荧光蛋白（GFP）是目前临床上和科学研究中*常用的荧光蛋白，常被用于检测和观察活体体内的肿瘤生长和分布状况[34]。
光学分子成像具有无创伤、无射线辐射危害、价格低、敏感性高、可实时成像等优点，但是其空间分辨率不高、穿透力较差，并且组织自发荧光对荧光信号存在干扰，还有待科研工作者的进一步研发、完善。
智能探针是目前光学分子成像领域研究的热点，其研究的重点主要集中在以下几个方面：
（1）针对目前常见各种疾病类型，开发具有特异性识别能力的诊断探针，为临床上疾病的“早发现”提供高效的检测手段。
（2）开发多模态探针，实现多种成像模式优势的整合。
（3）开发靶向特定病灶且疗效客观的治疗性探针，实现疾病的高效治疗。
（4）开发可对药物释放、药物疗效进行监测的检测型探针，在*短时间内得到准确疗效的反馈信息。
1.2 目前用于体内疾病诊疗的光学材料
随着纳米技术、材料科学和光子技术等领域的同步发展，光学诊疗在现代医学中取得了快速发展。目前，根据光学探针的自身性质可以将其主要分为三大类：无机光学探针、荧光蛋白探针和有机光学探针。
1.2.1 无机光学探针
无机光学探针主要分为稀土类荧光探针（如镧系发光元素等）和量子点（quantum dots，QDs）探针，其中以量子点探针的研究*为广泛。量子点又称为荧光型半导体纳米微晶体，是一种由Ⅱ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族元素组成的具有良好稳定性与水溶性、粒子尺寸在2～20nm范围内的纳米晶粒。目前研究较多的是CdS、CdSe、CdTe与ZnS等材料[35]。量子点通常由两个半导体组成：一个核心和一个外壳。核心半导体有一个狭窄的带隙核心被一个具有更高带隙的外壳半导体所包围。这种核/壳关系有助于将发射和激发限制在核内，保护核免受光漂白，并提高核的量子产率。量子点外壳在提高生物相容性的同时也为其与靶向分子的结合提供了有效的表面积[36]。
目前，量子点因其易于功能化和表面修饰的特性，在药物靶向递送、生物医学成像等领域被广泛研究。2011年，第一个基于量子点技术
展开
