Введение

Молекулярная визуализация – это область медицинской визуализации, которая фокусируется на визуализации молекул, представляющих медицинский интерес, в живых пациентах. Это отличается от традиционных методов получения молекулярной информации из сохраненных образцов тканей, таких как гистология. Молекулы, представляющие интерес, могут быть как естественными, производимыми организмом, так и синтетическими, созданными в лаборатории и вводимыми пациенту врачом. Наиболее распространенным примером молекулярной визуализации, используемой в клинической практике сегодня, является введение контрастного вещества (например, микропузырьков, ионов металла или радиоактивного изотопа) в кровоток пациента и использование метода визуализации (например, ультразвука, МРТ, КТ, ПЭТ) для отслеживания его перемещения в организме. Молекулярная визуализация возникла из области радиологии в связи с необходимостью более глубокого понимания фундаментальных молекулярных процессов внутри организмов неинвазивным способом. Конечная цель молекулярной визуализации – возможность неинвазивного мониторинга всех биохимических процессов, происходящих внутри организма, в режиме реального времени. Современные исследования в области молекулярной визуализации охватывают клеточную и молекулярную биологию, химию и медицинскую физику и направлены на: 1) разработку методов визуализации для обнаружения ранее не обнаруживаемых типов молекул, 2) расширение ассортимента и типов доступных контрастных агентов и 3) создание функциональных контрастных агентов, предоставляющих информацию о различных функциях, выполняемых клетками и тканями как в здоровом состоянии, так и при заболеваниях.

Обзор

Молекулярная визуализация возникла в середине двадцатого века как дисциплина на стыке молекулярной биологии и визуализации *in vivo*. Она позволяет визуализировать клеточные функции и отслеживать молекулярные процессы в живых организмах, не нарушая их естественного течения. Многочисленные возможности этой области применимы к диагностике таких заболеваний, как рак, неврологические и сердечно-сосудистые заболевания. Эта техника также способствует улучшению лечения этих заболеваний путем оптимизации доклинических и клинических испытаний новых лекарственных препаратов. Ожидается, что она окажет значительное экономическое влияние благодаря более ранней и точной диагностике. Молекулярная и функциональная визуализация приобрела новое направление после расшифровки генома человека. Новые пути в фундаментальных, прикладных и промышленных исследованиях усложняют задачи, стоящие перед учеными, и повышают требования к их квалификации. Поэтому необходима специализированная образовательная программа. Молекулярная визуализация отличается от традиционной визуализации тем, что использует зонды, известные как биомаркеры, для визуализации конкретных мишеней или путей. Биомаркеры химически взаимодействуют с окружающей средой и, в свою очередь, изменяют изображение в соответствии с молекулярными изменениями, происходящими в интересующей области. Этот процесс существенно отличается от предыдущих методов визуализации, которые в основном отображали различия в таких характеристиках, как плотность или содержание воды. Эта способность визуализировать тонкие молекулярные изменения открывает невероятное количество перспективных возможностей для медицинского применения, включая раннее выявление и лечение заболеваний, а также разработку новых лекарственных средств. Кроме того, молекулярная визуализация позволяет проводить количественные исследования, обеспечивая большую объективность при изучении этих областей. Одной из новых технологий является MALDI-молекулярная визуализация, основанная на масс-спектрометрии. В области молекулярной визуализации ведется множество исследований. Значительная часть текущих исследований сосредоточена на выявлении так называемого предболезненного состояния или молекулярных изменений, возникающих до появления типичных симптомов заболевания. Другими важными направлениями исследований являются визуализация экспрессии генов и разработка новых биомаркеров. Для поддержки исследований в этой области созданы такие организации, как Центр молекулярных изображений и трансляционной медицины (CMIIT) SNMMI. В Европе другие "сети передового опыта", такие как DiMI (Diagnostics in Molecular Imaging) и EMIL (European Molecular Imaging Laboratories), работают над развитием этой новой науки, интегрируя деятельность и исследования в этой области. В связи с этим создается европейская магистерская программа "EMMI" для подготовки нового поколения специалистов в области молекулярной визуализации. В последнее время термин "молекулярная визуализация" применяется к различным методам микроскопии и наноскопии, включая микроскопию живых клеток, микроскопию с полным внутренним отражением флуоресценции (TIRF), наноскопию с индуцированным истощением излучения (STED) и атомно-силовую микроскопию (AFM), поскольку в этих методах изображение молекул является конечным результатом.

Методы визуализации

Существует множество различных модальностей, которые могут быть использованы для неинвазивной молекулярной визуализации. Каждая из них имеет свои преимущества и недостатки, и некоторые лучше подходят для визуализации нескольких мишеней, чем другие.

Магнитно-резонансная томография

МРТ обладает преимуществами очень высокого пространственного разрешения и прекрасно подходит для морфологической и функциональной визуализации. Однако у МРТ есть и несколько недостатков. Во-первых, чувствительность МРТ составляет примерно от 10−3 моль/л до 10−5 моль/л, что, по сравнению с другими методами визуализации, может быть серьезным ограничением. Эта проблема обусловлена очень небольшой разницей между атомами в высокоэнергетическом и низкоэнергетическом состояниях. Например, при 1,5 Тесла, типичной напряженности поля для клинической МРТ, разница между высоко- и низкоэнергетическими состояниями составляет приблизительно 9 молекул на 2 миллиона. Методы повышения чувствительности МР включают увеличение напряженности магнитного поля и гиперполяризацию посредством оптической накачки, динамической ядерной поляризации или поляризации, индуцированной параводородом. Также существует ряд схем усиления сигнала, основанных на химическом обмене, которые повышают чувствительность. Для получения молекулярных изображений биомаркеров заболеваний с помощью МРТ необходимы целевые контрастные вещества для МРТ с высокой специфичностью и высокой релаксивностью (чувствительностью). На сегодняшний день множество исследований посвящено разработке целевых контрастных веществ для МРТ, позволяющих проводить молекулярную визуализацию. Как правило, для обеспечения таргетинга используются пептиды, антитела, небольшие лиганды и малые белковые домены, такие как аффибоды HER2. Для повышения чувствительности контрастных веществ эти таргетирующие группы обычно связывают с контрастными веществами МРТ с высокой нагрузкой или с контрастными веществами МРТ с высокой релаксивностью. В частности, недавняя разработка микрочастиц оксида железа (MPIO) позволила достичь беспрецедентного уровня чувствительности для обнаружения белков, экспрессируемых артериями и венами.

Оптическая визуализация

Для оптической визуализации используется ряд подходов. Различные методы основаны на флуоресценции, биолюминесценции, поглощении или отражении как источнике контраста. Наиболее ценным свойством оптической визуализации является то, что она, как и ультразвуковое исследование, не вызывает серьезных опасений по безопасности, в отличие от других методов медицинской визуализации. Недостатком оптической визуализации является ограниченная глубина проникновения, особенно при работе в видимом диапазоне длин волн. Глубина проникновения связана с поглощением и рассеянием света, что в первую очередь определяется длиной волны источника возбуждения. Свет поглощается эндогенными хромофорами, присутствующими в живых тканях (например, гемоглобином, меланином и липидами). В общем случае, поглощение и рассеяние света уменьшаются с увеличением длины волны. При длинах волн менее ~700 нм (например, в видимом диапазоне) эти эффекты приводят к небольшой глубине проникновения – всего в несколько миллиметров. Таким образом, в видимой области спектра возможна лишь поверхностная оценка характеристик тканей. Выше 900 нм поглощение воды может ухудшить отношение сигнал/шум. Поскольку коэффициент поглощения тканей значительно ниже в ближней инфракрасной (NIR) области (700–900 нм), свет может проникать глубже – на несколько сантиметров.

Близкоинфракрасная визуализация

Флуоресцентные зонды и метки являются важным инструментом для оптической визуализации. Некоторые исследователи применяли ближнюю инфракрасную (NIR) визуализацию в крысиной модели острого инфаркта миокарда (AMI), используя пептидный зонд, способный связываться с апоптотическими и некротическими клетками. Для in vivo визуализации используется ряд ближних инфракрасных (NIR) флюорофоров, включая Kodak X SIGHT Dyes and Conjugates, Pz 247, DyLight 750 и 800 Fluors, Cy 5.5 и 7 Fluors, Alexa Fluor 680 и 750 Dyes, IRDye 680 и 800CW Fluors. Квантовые точки, благодаря своей фотостабильности и яркому излучению, вызвали значительный интерес; однако их размер препятствует эффективному выведению из кровеносной и почечной систем и проявляет долгосрочную токсичность.

Ряд исследований продемонстрировал использование инфракрасных красителей, меченных зондами, в оптической визуализации. При сравнении гамма-сцинтиграфии и NIR-визуализации циклопентапептид, двойным образом меченный и NIR-флюорофором, использовался для визуализации αvβ3-интегрин-положительных ксенотрансплантатов меланомы. NIR-меченый RGD, нацеленный на αvβ3-интегрин, использовался во многих исследованиях для воздействия на различные виды рака. NIR-флюорофор был конъюгирован с эпидермальным фактором роста (EGF) для визуализации прогрессирования опухоли. NIR-флюорофор сравнивали с Cy5.5, что позволяет предположить, что красители с большей длиной волны могут создавать более эффективные агенты для таргетирования в оптической визуализации. Памидронат был мечен NIR-флюорофором и использовался в качестве агента для визуализации костей для обнаружения остеобластической активности в живом животном. NIR-флюорофор, меченный GPI, – мощный ингибитор PSMA (простат-специфического мембранного антигена). Использовался альбумин сыворотки человека, меченный NIR-флюорофором, в качестве трассировочного агента для картирования сторожевых лимфатических узлов. 2-Дезокси-D-глюкоза, меченная NIR-флюорофором. Важно отметить, что добавление NIR-зонда к любому вектору может изменить биосовместимость и биораспределение вектора. Следовательно, нельзя однозначно утверждать, что конъюгированный вектор будет вести себя аналогично нативной форме.

Компьютерная томография с использованием однофотонной эмиссии

Развитие компьютерной томографии в 1970-х годах позволило картировать распределение радиоизотопов в органе или ткани и привело к появлению метода, известного сейчас как однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ). В ОФЭКТ используется визуализирующий агент, испускающий гамма-лучи, в отличие от позитронных излучателей (таких как), применяемых в ПЭТ. Существует ряд радиотрассеров (таких как Technetium99mTc, Indium111In, Iodine123I, Tellurium201Tl), которые могут быть использованы в зависимости от конкретной задачи. Ксенон – один из таких радиотрассеров. Он показал свою эффективность в диагностических ингаляционных исследованиях для оценки функции легких, для визуализации легких, а также может использоваться для оценки rCBF. Детекция этого газа осуществляется с помощью гамма-камеры – сцинтилляционного детектора, состоящего из коллиматора, кристалла NaI и набора фотоумножителей. Вращая гамма-камеру вокруг пациента, можно получить трехмерное изображение распределения радиотрассера, используя фильтрованную обратную проекцию или другие томографические методы. Радиоизотопы, используемые в ОФЭКТ, имеют относительно длительный период полураспада (от нескольких часов до нескольких дней), что облегчает их производство и делает их относительно недорогими. Это является основным преимуществом 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 в эту или в ту миллисекунду) разрешения. Кроме того, из-за радиоактивности контрастного вещества существуют вопросы безопасности, связанные с введением радиоизотопов пациенту, особенно при проведении серийных исследований.

Позитроноэмиссионная томография

Позитроноэмиссионная томография (ПЭТ) – это метод визуализации в ядерной медицине, который создает трехмерное изображение функциональных процессов в организме. Теория, лежащая в основе ПЭТ, достаточно проста. Сначала молекула маркируется изотопом, испускающим позитроны. Эти позитроны аннигилируют с ближайшими электронами, испуская два фотона с энергией 511 кэВ, направленных в противоположные стороны под углом 180 градусов. Затем эти фотоны регистрируются сканером, который может оценить плотность аннигиляции позитронов в определенной области. Когда происходит достаточное количество взаимодействий и аннигиляций, можно измерить плотность исходной молекулы в этой области. К типичным изотопам относятся , , , , , , , , , и , при этом наиболее часто используется в клинической практике. Одним из основных недостатков ПЭТ является то, что большинство радиофармпрепаратов необходимо производить с помощью циклотрона. Большинство этих препаратов также имеют период полураспада, исчисляемый часами, что требует размещения циклотрона непосредственно на месте проведения исследований. Эти факторы могут сделать ПЭТ чрезмерно дорогостоящим. Однако ПЭТ-визуализация обладает многими преимуществами. Прежде всего, это ее высокая чувствительность: типичный ПЭТ-сканер способен обнаруживать концентрации в диапазоне от 10−11 до 10−12 моль/л.