Тірі организмдегі молекулаларды бейнелеу

Кіріспе

Тірі пациенттердегі молекулаларды бейнелеу

Молекулалық бейнелеу – тірі пациенттердегі медициналық маңызы бар молекулаларды бейнелеуге бағытталған медициналық бейнелеу саласы. Бұл гистология сияқты сақталған тіндерден молекулалық ақпарат алудың дәстүрлі әдістерінен өзгеше. Қызығушылық тудыратын молекулалар организмде табиғи түрде өндірілген немесе зертханада синтезделген, дәрігер пациентке енгізетін молекулалар болуы мүмкін. Қазіргі уақытта клиникалық тәжірибеде қолданылатын молекулалық бейнелеудің ең көп таралған мысалы – пациенттің қан тамырларына контраст зат (мысалы, микрокөпіршік, металл ионы немесе радиоактивті изотоп) енгізіп, оның денедегі қозғалысын бақылау үшін бейнелеу әдісін (мысалы, ультрадыбыс, МРТ, КТ, ПЭТ) пайдалану. Молекулалық бейнелеу радиология саласынан организм ішіндегі негізгі молекулалық процестерді инвазивті емес жолмен жақсырақ түсіну қажеттілігінен пайда болды. Молекулалық бейнелеудің басты мақсаты – ағза ішінде жүретін барлық биохимиялық процестерді нақты уақытта инвазивті емес түрде бақылау. Қазіргі молекулалық бейнелеу саласындағы зерттеулер жасушалық/молекулалық биология, химия және медициналық физиканы қамтиды және мыналарға бағытталған: 1) бұрын анықталмаған молекулалардың түрлерін анықтауға арналған бейнелеу әдістерін жасау, 2) қолданыстағы контраст заттардың санын және түрлерін кеңейту және 3) жасушалар мен тіндердің денсаулық және ауру кезінде атқаратын әртүрлі қызметтері туралы ақпарат беретін функционалдық контраст заттарды әзірлеу.

Шолу

Молекулалық бейнелеу 20 ғасырдың ортасында молекулалық биология мен in vivo бейнелеудің тоғысқан жерінде пайда болды. Ол тірі организмдердегі жасушалық функцияларды визуализациялауға және оларға кедергі келтірмей молекулалық процестерді бақылауға мүмкіндік береді. Бұл саланың көптеген әлеуеттері қатерлі ісік, неврологиялық және жүрек-қантамырлары аурулары сияқты ауруларды диагностикалауда қолданылады. Бұл техника сондай-ақ жаңа дәрілердің преклиникалық және клиникалық сынақтарын оңтайландыру арқылы осы ауруларды емдеуді жақсартуға көмектеседі. Ертерек және дәл диагноз қоюға мүмкіндік беретіндіктен, бұл саланың экономикалық әсері де зор болуы күтілуде. Адам геномын сипаттағаннан кейін молекулалық және функционалдық бейнелеу жаңа бағыт алды. Іргелі, қолданбалы және өндірістік зерттеулердегі жаңа жолдар ғалымдардың жұмысын күрделендіріп, оларға қойылатын талаптарды арттырады. Сондықтан, қажеттілік туындап, арнайы оқыту бағдарламасын жасау қажет. Молекулалық бейнелеу дәстүрлі бейнелеуден биомаркерлер деп аталатын зондтарды пайдалану арқылы ерекшеленеді, олар нақты нысаналарды немесе жолдарды бейнелеуге көмектеседі. Биомаркерлер қоршаған ортамен химиялық әрекеттеседі және қызығушылық тудыратын аймақтағы молекулалық өзгерістерге сәйкес кескінді өзгертеді. Бұл процесс тығыздық немесе судың мөлшері сияқты қасиеттердегі айырмашылықтарды бейнелейтін бұрынғы бейнелеу әдістерінен ерекшеленеді. Молекулалық өзгерістерді бейнелеу мүмкіндігі медициналық қолдану үшін, соның ішінде ауруды ерте анықтау және емдеу, сондай-ақ фармацевтикалық зерттеулер үшін көптеген перспективаларды ашады. Сонымен қатар, молекулалық бейнелеу сандық сынақтарға мүмкіндік береді, бұл осы салаларды зерттеуде объективтілікті арттырады. MALDI молекулалық бейнелеу – массалық спектрометрияға негізделген жаңа технологиялардың бірі. Молекулалық бейнелеу саласында көптеген зерттеулер жүргізілуде. Көптеген зерттеулер қазіргі уақытта аурудың симптомдары пайда болуына дейін болатын аурудың алғы күйі немесе молекулалық күйін анықтауға бағытталған. Басқа маңызды зерттеу бағыттары – гендік экспрессияны бейнелеу және жаңа биомаркерлерді әзірлеу. SNMMI Молекулалық бейнелеу инновациясы және аударма орталығы (CMIIT) сияқты ұйымдар осы саладағы зерттеулерді қолдау үшін құрылды. Еуропада DiMI (Diagnostics in Molecular Imaging) немесе EMIL (European Molecular Imaging Laboratories) сияқты басқа да "тамаша желілер" осы жаңа ғылымда жұмыс істейді, олар саладағы қызметтер мен зерттеулерді біріктіреді. Осылайша, молекулалық бейнелеу саласындағы жаңа буын мамандарды даярлау үшін "EMMI" еуропалық магистратура бағдарламасы құрылуда. Соңғы кезде молекулалық бейнелеу термині микроскопия мен наноскопияның әртүрлі әдістеріне, соның ішінде тірі жасуша микроскопиясы, Толық ішкі рефлексия флуоресценция (TIRF) микроскопиясы, STIMulated Emission Depletion (STED) наноскопиясы және атомдық күш микроскопиясы (AFM) сияқты техникаларға қолданылуда, себебі мұнда молекулалардың суреттері нәтиже болып табылады.

Molecular imaging emerged in the mid twentieth century as a discipline at the intersection of molecular biology and in vivo imaging. It enables the visualisation of the cellular function and the follow up of the molecular process in living organisms without perturbing them. The multiple and numerous potentialities of this field are applicable to the diagnosis of diseases such as cancer, and neurological and cardiovascular diseases. This technique also contributes to improving the treatment of these disorders by optimizing the pre clinical and clinical tests of new medication. They are also expected to have a major economic impact due to earlier and more precise diagnosis. Molecular and Functional Imaging has taken on a new direction since the description of the human genome. New paths in fundamental research, as well as in applied and industrial research, render the task of scientists more complex and increase the demands on them. Therefore, a tailor made teaching program is in order. Molecular imaging differs from traditional imaging in that probes known as biomarkers are used to help image particular targets or pathways. Biomarkers interact chemically with their surroundings and in turn alter the image according to molecular changes occurring within the area of interest. This process is markedly different from previous methods of imaging which primarily imaged differences in qualities such as density or water content. This ability to image fine molecular changes opens up an incredible number of exciting possibilities for medical application, including early detection and treatment of disease and basic pharmaceutical development. Furthermore, molecular imaging allows for quantitative tests, imparting a greater degree of objectivity to the study of these areas. One emerging technology is MALDI molecular imaging based on mass spectrometry. Many areas of research are being conducted in the field of molecular imaging. Much research is currently centered on detecting what is known as a predisease state or molecular states that occur before typical symptoms of a disease are detected. Other important veins of research are the imaging of gene expression and the development of novel biomarkers. Organizations such as the SNMMI Center for Molecular Imaging Innovation and Translation (CMIIT) have formed to support research in this field. In Europe, other "networks of excellence" such as DiMI (Diagnostics in Molecular Imaging) or EMIL (European Molecular Imaging Laboratories) work on this new science, integrating activities and research in the field. In this way, a European Master Programme "EMMI" is being set up to train a new generation of professionals in molecular imaging. Recently the term molecular imaging has been applied to a variety of microscopy and nanoscopy techniques including live cell microscopy, Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) microscopy, STimulated Emission Depletion (STED) nanoscopy and Atomic Force Microscopy (AFM) as here images of molecules are the readout.

Бейнелеу әдістері

Молекулалық бейнелеу үшін инвазивті емес көптеген түрлері қолданылуы мүмкін. Әрқайсысының өзіндік артықшылықтары мен кемшіліктері бар, ал кейбіреулері басқаларына қарағанда бірнеше нысананы бейнелеуге көбірек бейім.

Магниттік резонанстық томография

МРТ-ның артықшылығы өте жоғары кеңістіктік ажыратымдылығы және морфологиялық және функционалдық бейнелеуде өте тиімді болуы. Дегенмен, МРТ-ның бірнеше кемшіліктері де бар. Біріншіден, МРТ-ның сезімталдығы шамамен 10−3 моль/л-ден 10−5 моль/л-ге дейін құрайды, бұл басқа бейнелеу түрлерімен салыстырғанда өте шектеулі болуы мүмкін. Бұл мәселе атомдардың жоғары энергиялық күйі мен төмен энергиялық күйі арасындағы айырмашылықтың өте аз болуынан туындайды. Мысалы, клиникалық МРТ үшін әдеттегі магниттік өріс күші – 1,5 Теслада, жоғары және төмен энергиялық күйлер арасындағы айырмашылық шамамен 2 миллионға 9 молекулаға тең. МР сезімталдығын арттыру үшін магниттік өріс күшін арттыру, сондай-ақ оптикалық сорғылау, динамикалық ядролық поляризациялау немесе параводородтық поляризациялау арқылы гиперполяризациялау сияқты жақсартулар жасалды. Сонымен қатар, сезімталдықты арттыратын химиялық алмасуға негізделген сигнал күшейтудің әртүрлі схемалары бар. МРТ арқылы ауру биомаркерлерін молекулалық деңгейде бейнелеу үшін жоғары ерекшелікке және жоғары релаксациялық қасиетке (сезімталдыққа) ие мақсатты МРТ контрасттық агенттер қажет. Бүгінгі күнге дейін көптеген зерттеулер МРТ арқылы молекулалық бейнелеуді жүзеге асыру үшін мақсатты МРТ контрасттық агенттерін әзірлеуге бағышталған. Әдетте, мақсатқа жету үшін пептидтер, антиденелер немесе кіші лигандтар, сондай-ақ HER 2 аффибодилері сияқты кіші белок домендері қолданылады. Контрасттық агенттердің сезімталдығын арттыру үшін бұл мақсатты топтар әдетте жоғары мөлшердегі МРТ контрасттық агенттеріне немесе жоғары релаксациялық қасиеттері бар МРТ контрасттық агенттеріне қосылады. Атап айтқанда, темір оксидінің микрометрлік бөлшектерін (MPIO) жақында жасау артериялар мен веналардың өндіретін ақуыздарын анықтау үшін бұрын-соңды болмаған сезімталдық деңгейіне қол жеткізуге мүмкіндік берді.

Оптикалық бейнелеу

Оптикалық бейнелеу үшін бірнеше тәсіл қолданылады. Әртүрлі әдістер флуоресценция, биолюминесценция, сіңіру немесе шағылысу арқылы контраст көзін анықтайды. Оптикалық бейнелеудің ең бағалы қасиеті – ол және ультрадыбыс, басқа медициналық бейнелеу әдістері сияқты, күшті қауіпсіздік мәселелерін тудырмайды. Оптикалық бейнелеудің кемшілігі – ену тереңдігінің жеткіліксіздігі, әсіресе көрінетін толқын ұзындығында жұмыс істегенде. Ену тереңдігі жарықтың сіңірілуі мен шашырауымен байланысты, бұл қоздырғыш толқын ұзындығының негізгі функциясы болып табылады. Жарық тірі тіндердегі (мысалы, гемоглобин, меланин және липидтер) ендогенді хромофорлармен сіңіріледі. Жалпы алғанда, жарық сіңіру және шашырау толқын ұзындығы ұлғайған сайын төмендейді. ~700 нм-ден төмен (мысалы, көрінетін толқын ұзындығы), бұл эффекттер жарықтың тек бірнеше миллиметрге ғана енуіне әкеледі. Сондықтан, спектрдің көрінетін аймағында тіндердің ерекшеліктерін тек беткі қабатта бағалау мүмкін. 900 нм-ден жоғары, судың сіңіруі сигнал мен фон арақатынасына кедергі келтіруі мүмкін. Тіндердің сіңіру коэффициенті жақын инфрақызыл (NIR) аймағында (700-900 нм) айтарлықтай төмен болғандықтан, жарық бірнеше сантиметрге дейін тереңірек енуі мүмкін.

Жақын инфрақызыл кескіндер

Флуоресцентті зондтар мен таңбалар оптикалық бейнелеу үшін маңызды құрал болып табылады. Кейбір зерттеушілер егеуқырдың жедел миокард инфарктісі (ЖМИ) үлгісінде NIR бейнелеуді қолданды, бұл үшін апоптоздық және некроздық жасушаларға байланыса алатын пептидтік зондты пайдаланды. In vivo бейнелеу үшін көптеген жақын инфрақызыл (NIR) флюорофорлар қолданылды, соның ішінде Kodak X SIGHT Dyes and Conjugates, Pz 247, DyLight 750 және 800 Fluors, Cy 5.5 және 7 Fluors, Alexa Fluor 680 және 750 Dyes, IRDye 680 және 800CW Fluors. Кванттық нүктелер фототұрақтылығымен және жарқын сәулеленуімен үлкен қызығушылық тудырды; алайда, олардың мөлшері қан айналымы және бүйрек жүйесінен тиімді тазаруға кедерілдіреді, сонымен қатар ұзақ мерзімді уыттылық танытады. Бірнеше зерттеулер оптикалық бейнелеуде инфрақызыл бояумен таңбаланған зондтарды қолдануды көрсетті. Гамма сцинтиграфиясымен NIR бейнелеуін салыстыру кезінде αvβ3 интегралды оң меланома ксенотрансплантаттарын бейнелеу үшін циклопентапептидтік екі таңбалы зонд және NIR флюорофоры қолданылды. Жақын инфрақызыл сәуледегі RGD-ге бағытталған αvβ3 интегралы көптеген зерттеулерде әртүрлі қатерлі ісіктерді нысанаға алу үшін қолданылды. Ісік прогрессиясын бейнелеу үшін NIR флюорофоры эпидермалық өсу факторымен (EGF) конъюгацияланды. NIR флюорофоры Cy5.5-пен салыстырылды, бұл ұзын толқынды бояулар оптикалық бейнелеу үшін тиімдірек нысаналық агенттерді жасауға мүмкіндік береді дегенді көрсетеді. Памидронат NIR флюорофорымен таңбаланды және тірі жануарларда остеобласттық белсенділікті анықтау үшін сүйек бейнелеу агенті ретінде пайдаланылды. NIR флюорофорымен таңбаланған GPI, PSMA (простатаға тән мембраналық антиген) күшті тежегіші. НИР флюороформен таңбаланған адам сарысуы альбумині бақылаушы лимфа түйіндерін іздеу үшін бақылау агенті ретінде қолданылды. 2-Дезокси-D-глюкоза НИР флюорофорымен таңбаланды. Кез келген векторға NIR зондын қосу вектордың биологиялық үйлесімділігі мен биологиялық таралуын өзгерте алатынын ескеру маңызды. Сондықтан, конъюгацияланған вектордың табиғи түрімен ұқсас әрекет ететінін сенімді түрде болжауға болмайды.

Fluorescent probes and labels are an important tool for optical imaging. Some researchers have applied NIR imaging in rat model of acute myocardial infarction (AMI), using a peptide probe that can binds to apoptotic and necrotic cells. A number of near infrared (NIR) fluorophores have been employed for in vivo imaging, including Kodak X SIGHT Dyes and Conjugates, Pz 247, DyLight 750 and 800 Fluors, Cy 5.5 and 7 Fluors, Alexa Fluor 680 and 750 Dyes, IRDye 680 and 800CW Fluors. Quantum dots, with their photostability and bright emissions, have generated a great deal of interest; however, their size precludes efficient clearance from the circulatory and renal systems while exhibiting long term toxicity

Several studies have demonstrated the use of infrared dye labeled probes in optical imaging. In a comparison of gamma scintigraphy and NIR imaging, a cyclopentapeptide dual labeled with and an NIR fluorophore was used to image αvβ3 integrin positive melanoma xenografts. Near infrared labeled RGD targeting αvβ3 integrin has been used in numerous studies to target a variety of cancers. An NIR fluorophore has been conjugated to epidermal growth factor (EGF) for imaging of tumor progression. An NIR fluorophore was compared to Cy5.5, suggesting that longer wavelength dyes may produce more effective targeting agents for optical imaging. Pamidronate has been labeled with an NIR fluorophore and used as a bone imaging agent to detect osteoblastic activity in a living animal. An NIR fluorophore labeled GPI, a potent inhibitor of PSMA (prostate specific membrane antigen). Use of human serum albumin labeled with an NIR fluorophore as a tracking agent for mapping of sentinel lymph nodes. 2 Deoxy D glucose labeled with an NIR fluorophore. It is important to note that addition of an NIR probe to any vector can alter the vector's biocompatibility and biodistribution. Therefore, it can not be unequivocally assumed that the conjugated vector will behave similarly to the native form.

Бір фотоны шығаратын компьютерлік томография

1970-ші жылдары компьютерлік томографияның дамуы радиоизотоптардың ағза немесе тіндердегі таралуын картаға түсіруге мүмкіндік берді және қазір бір фотондық эмиссиялық компьютерлік томография (SPECT) деп аталатын техникаға әкелді. SPECT-те қолданылатын бейнелеу агенті гамма сәулелерін шығарады, ал ПЭТ-те қолданылатын позитрон эмитерлерінен (мысалы, ) ерекшеленеді. Қолданылатын радиомаркерлердің (мысалы, Technetium99mTc, Indium111In, Iodine123I, Tellurium201Tl) әртүрлі түрлері бар, олар нақты қолданылуына байланысты таңдалады. Ксенон газы – осындай радиомаркерлердің бірі. Ол өкпе функциясын бағау үшін диагностикалық ингаляциялық зерттеулерде, өкпені бейнелеуде және сонымен қатар rCBF бағалауда пайдалы екені дәлелденді. Бұл газды анықтау гамма-камера арқылы жүзеге асырылады, ол коллиматордан, NaI кристаллынан және фотомультипликатор түтікшелер жиынтығынан тұратын сцинтилляциялық детектор болып табылады. Гамма-камераны науқастың айналасында айналдыру арқылы, фильтрленген кері проекция немесе басқа томографиялық әдістерді қолдану арқылы радиомаркердің таралуының үш өлшемді суретін алуға болады. SPECT-те қолданылатын радиоизотоптардың жартылай ыдырау периоды салыстырмалы түрде ұзақ (бірнеше сағаттан бірнеше күнге дейін), оларды өндіру оңай және салыстырмалы түрде арзан. Бұл SPECT-тің молекулалық бейнелеу әдісі ретіндегі басты артықшылығын көрсетеді, себебі ол ПЭТ немесе ФМРИ-ге қарағанда әлдеқайда төмен бағалы. Дегенмен, оның кеңістіктік (яғни, бөлшектің нақты қайда орналасқандығы) немесе уақыттық (яғни, контраст агентінің сигналы осы миллисекундта немесе басқа миллисекундта болды) ажыратымдылығы жеткіліксіз. Сонымен қатар, контраст агентінің радиоактивтілігіне байланысты, радиоизотоптарды қолданудың қауіпсіздік аспектілері бар, әсіресе сериялық зерттеулер жүргізілген кезде.

Позитрондармен томография

Позитрондық эмиссиялық томография (ПЭТ) – ядролық медицинада қолданылатын бейнелеу әдісі, денедегі функционалдық процестердің үш өлшемді суретін шығарады. ПЭТ-тің теориялық негізі өте қарапайым. Біріншіден, молекула позитрон шығаратын изотоппен белгіленеді. Бұл позитрондар жақын орналасқан электрондармен кездесіп, жойылып, қарама-қарсы бағытта 180 градус бұрышпен екі 511 кэВ фотонды шығарады. Бұл фотондарды сканер анықтайды және белгілі бір аймақтағы позитронның жойылу тығыздығын бағалайды. Көптеген өзара әрекеттесулер мен жойылулар болғаннан кейін, бастапқы молекуланың тығыздығы сол аймақта өлшенеді. Көбінесе қолданылатын изотоптарға , , , , , , , және жатады, ал клиникалық жағдайда ең көп қолданылатыны – . ПЭТ-тің негізгі кемшіліктерінің бірі – көптеген зондтарды циклотронмен жасау қажеттігі. Осы зондтардың көпшілігінің жартылай ыдырау мерзімі сағаттармен өлшенеді, сондықтан циклотрон сол жерде болуы керек. Бұл факторлар ПЭТ-тің құнының жоғары болуына әкеледі. Дегенмен, ПЭТ-тің көптеген артықшылықтары бар. Ең маңыздысы – оның жоғары сезімталдығы: әдеттегі ПЭТ сканері 10−11 моль/л-ден 10−12 моль/л-ге дейінгі концентрацияларды анықтай алады.