分子成像探针.doc

基于物理学和生物学方法的下一代化学分子影像探针的合理设计：混合模式，色彩和信号
近年来，众多的体内探针分子成像已经得到发展。因此，有很多报道,发表关于设计和合成分子成像探针，聚焦于每一种模式,每一类型材料,或每个目标疾病。更近一些年，具有独特，多功能或多路复用特性的第二代分子成像探针已经设计出来。这个关键的综述关注(i)分子成像的组合运用模式和全方位采用电磁光谱的信号, (ii)为基于生物学和生理学的交叉范围的物理尺寸体内动力学优化设计了化学分子成像探针, (iii)旨在运用多种形式、色彩、综合信号从目标提取补充数据的第二代分子成像探针设计实例。

A.介绍
常规使用造影剂诊断成像的方法，如血管造影，计算机断层扫描和磁共振（MR）成像，在医学上产生了深刻的影响。然而，在灵敏度，分辨率和特异性方面还需要改进。放射性核素成像为目前的局限性提供了一个很好的例子。虽然放射性核素显像提供生理信息（血流量，灌注，淋巴回流）或代谢信息（磷酸盐，糖，核酸，和某些氨基酸），但它的空间分辨率很低。只有几个目标分子的（生长抑素类似物和放射性标记抗体）的放射性探针已被批准在临床实践中使用。分子成像，影像学的下一个重要的进步之一，为体内特定目标的高灵敏度和特异性的信息获取提供了可能性。为了实现这一目标，它或许必须混合不同的方式，探针，或信号处理来设计探针。分子成像临床成功的时候不多，但在肿瘤学，心脏病学，和神经科学已经有相当临床前研究的进展。因此，人们普遍认为该领域仍然处于起步阶段。限制分子成像的一个因素是，大多数目前使用的探头是单色（高产每个分子只有一个信号类型），并不断发出信号（即所谓的“永远在线”）。 单色成像，虽然在目前的临床实践中非常有用，线性响应，无数据参数。在“一种测试，一种答案”范式，只提供了一个拼图的一维图片“很多测试，很多答案”这样的结果“总是”探头的问题是，他们减少二次非特定的背景信号背景比率的目标。这大大降低灵敏度，甚至可能使探头非常具体。产生多色，多参数数据，并激活成像探针的能力将提供更加丰富和复杂并具有较高的灵敏度和特异性的数据集。在化学和纳米技术的创新将导致高靶向性探头的发展，它优化了针对性很强的高亲和力结合特定的分子靶点和信号属性，并最终产生多参数的数据探头。这些探头不仅可以提供更多的信息，但也可能使得医疗保健方面效率提高，从而降低了成本（一个测试，很多答案）。
每个模式提供特定的功能，如高空间分辨率，高时间分辨率或高灵敏度，而且利用来自频谱不同部位的电磁波，紧随着数据重建来采集数据。利用每一项技术，获得多参数数据有几种方法：（1）使用两个或两个以上不同的成像方式（多模）检测两个或两个以上电磁频谱不同部位的光子，；（2）检测频谱相同部分的两个或两个以上的光子，并使用光谱分离技术来区分信号（多色）；（3）检测相同能量的光子，但通过信号处理（多种信号）提取其他信息（如时域信息）（图1）。

图1：复合成像技术图，依据不同波长的电磁波谱

探针设计的一个重要的基本原则是优化肿瘤背景比值（TBR）。这样就可以实现最大化的目标信号，最大限度地减少背景信号，或两者同时实现。改善TBR可增加体内检测目标分子的灵敏度和特异性。优化TBR的战略，可以在一些规模上从整个机体的水平到原子水平考虑。在生物水平上，动物（如小鼠与人类）的大小应作为探针类型间信号穿透深度在光学成像最显著的变化，因此生物体表面的目标组织深度是被检测信号强度的重要组成部分。在器官水平，只要是探头药物代谢动力学，包括药剂的摄取，分解，清除和排泄所有影响TBR的，应被视为生理学。在细胞水平上的目标表达，结合亲和力，打开和关闭率，细胞内的处理和分解代谢可以影响探头的信号。在分子水平上，与目标和化学或酶处理之间物理相互作用改变探头的信号和TBR。最后，在原子水平上，分子之间或分子内能量转移，光子诱导电子转移并且隔离罩实现信号的激活和/或信号放大的重要手段，因此其值得考虑（图2）。
在这篇文章中，我们讨论分子成像探针的设计策略，强调策略的多模式，多彩色和多信号。

B．多路数据采集
每个模式都有优势和局限性。因此，同时使用两个或两个以上的模式，成像试剂或信号的方法，来实现'多路复成像“，可以克服的每个模式的局限性并改进在一个单一的成像期间获得的数据。当前一个很好的例子是正电子发射断层扫描/计算机断层扫描（PET / CT），其中PET提供了一个高灵敏度的代谢图像，而CT提供可以叠加在代谢信息之上的组织信息。多色成像的例子包括不同的目标的同时检测，使用单光子发射计算机断层成像（SPECT）摄像机，它根据不同的发射能量（即鎝- 99m（140千电子伏））TL- 201（71千电子伏））使用两种不同的能量检测窗口来收集多参数信息可以解决多个示踪剂。多种信号的一个例子是磁共振成像，其在T1，T2，和扩散加权像中都在一个时段获得的，分别反映了不同的组织信号。因此，未来的模板已经到位。下一代的分子成像探针的设计应考虑到该药剂是否会提供复成像数据。在本节中，我们讨论在尚未出现在临床上的这些不同类型的探头的合理的设计和实际的例子。

图2：在所有物理水平上靶向特异性成像的合理策略图

B．1 多模成像探针
如图1所示，核成像采用发射波长小于1 nm伽马射线的光子。在这些光子中，能量大于70 keV的一般可以穿透人体无明显衰减。从现实情况来看，放射性核素，发射光子能量从80 keV到350 keV的不等，适合分子成像，但精确的重建需要广泛的准直。在低效的光子收集中的结果是因为准直仪吸收许多光子的结果。正电子放射性核素产生两个511 keV的光子（方向相反），同时入射探测器可以检测到它，而且由于可以决定响应线，PET扫描仪不要求一个准直，从而导致了与γ发射体相比更高的分辨率。放射性核素的相机是足够灵敏的，即使在体内深处检测放射性核素的微微摩尔浓度。核成像是医学的发达领域，经历了过去五十多年的发展。因此，新开发的药剂使用微剂量处理在人类中测试中很容易，。然而，由于伽马射线或X射线暴露受到电离辐射，基于药剂的放射性物质和它的物理和生物半衰期，放射性核素显像必须始终考虑到辐射剂量。因此，一个具有可比性的灵敏度，但没有电离辐射的成像模式是可取的。
光学成像依赖于从可见光到近红外（NIR）（500至1500 nm波长）波长范围的光子。电荷耦合器件（CCD）探测器，用于光学成像，于较短的波长的光子普遍表现较好的灵敏度。在此范围内，近红外光，从650至800 nm，，提供最佳的可视化深层次结构，可达数厘米，从表面上看，是由于这个范围不太容易被活组织吸收（图3）。更短波长的光子因为氧和脱氧血红蛋白吸收近完整的光而被限于成像表面或立即表层现象。当然，穿透深度与光源的强度是部分相关的，因此，具有非常强射的荧光团信号可以更深地穿透组织。许多可见光到近红外光谱波长发光试剂是用于光学成像，这些荧光基团可以被微微摩尔的灵敏度检测到而没有电离辐射。光学成像单独（无外感探头）已在临床实践中被用来检测血流或相对表层器官的血氧浓度，包括乳房，大脑，眼睛。只有两种光学成像试剂：荧光素和吲哚青绿（ICG）已被批准在临床实践中使用。在外科或内镜检查过程中，已经引入了少数目标特定的荧光探针，但在临床上都没常用。

图3：在体NIR窗，显示水，氧合和脱氧血红蛋白在可见光到近红外波段的消失系数，

磁共振成像依靠波长近似1厘米的无线电波。射频波能够穿透到体内深处。磁共振成像一般是测量质子的磁弛豫特性，但这需要由射频激发。顺磁金属离子或纳米大小的金属微粒作为造影剂，因为他们改变了相邻水质子的弛豫速率和破坏周围粒子的磁场。可检测的弛豫变化只能在显像剂的顺磁性浓度大于10微摩尔浓度的金属离子或原子时获得，从而限制了灵敏度。无线电波不会受到电离辐射暴露。关于造影剂，钆螯合物和氧化铁粒子已批准在临床实践中使用。然而，人们越来越关注，关于在肾功能不全的患者中钆造影剂的使用，因为有肾系统性硬化症的风险，这是潜在的致命疾病，是由从螯合物毒性重金属释放钆离子的毒性导致的。此说，MRI信号可以不同的方式处理，产生具有获得解剖之外的多种信息潜力的方法，并且不需要对比材料。
牢记这些特点，两个或两个以上信号基团的适当组合也被称为“混合成像”，可以有效地提供一个生理过程更全面的信息。在接下来的章节中，对新的分子探针的发展，主要是临床前的例子进行了讨论。
B.1.1核/光学多模探头
多式联运核和光学成像探针于分子成像和药物（治疗诊断科技）发展来说是有前景的。在这一战略中，放射性元素的作用是提供定性，完整的大量数据。放射性元素提供了一个连续发射的信号，它可以用来确定探头的生物分布与清理，并提供生理数据，如肾小球滤过率和在特定地方（如肿瘤或器官）的探针浓度。探针的光学元件提供定性实时可视化靶组织的能力，以协助介入的，手术上的，或内镜的程序，或使用多色彩“总是在线''或肿瘤细胞的特性”“激活”光学探针（稍后讨论）进行分子型面的特定检测。这些特性使得核/光学探测器对药物开发，生理成像，特定酶成像，心脏成像，以及有效的肿瘤目标很有用。
B.1.1.1核/光学双标记探针
一个正电子发射同位素作为放射性元素来用，为双核/光学试剂提供了甚至更好的定量数据，PET具有高渗透力和灵敏度，也更具定量性。考虑到这一点，已开发了PET/光学试剂的一些组合。例如，附带整合剂的近红外荧光光量子点（QD）与PET成像结合，并附属血管内皮生长因子（VEGF）蛋白来模拟VEGF受体的相关目标。在早期临床试验中，用双标记探针的药代动力学性质和疗效来评估特定肿瘤成像。PET试剂提供血管内皮生长因子受体阳性肿瘤的透视图，而光学成像提供了肿瘤切除的实时定位。
放射性核素的双光探头的另一个例子是一个单抗（抗HER2的抗体），用一个正电子发射放射性核素和患乳腺癌的小鼠模型上测试的近红外荧光团标记。双模核/光剂为全身（核）提供全身灵敏疾病检测，药代动力学（核）的相关定量数据，以及能够实现实时，多色彩，高度特异性的分子靶向和细胞级成像（光学）。实事求是地讲，两种模式类似的灵敏性，使得它更容易同时设计和应用这些探针（图4）。

图4：定量淋巴的复合色彩图，使用核和光学双标记的成像试剂。
B.1.1.2切伦科夫发光成像（CLI）
最近在双模光/核成像方面的发展是将（CR）切伦科夫放射用于光学成像。，带电粒子穿过绝缘介质比光速更快时，CR发生。分子和光学成像的关联就是生物医学成像中使用的正电子放射性核素有足够的能量使得CR发生，它可用光学成像设备在体内检测。目前使用的正电子放射性核素包括：氟-18，氧-15，镓- 68- 124和碘;和其他可能的β-射线发射器包括：碘-131，锶-89，钇-90和67铜。这些试剂大多用于放射性核素治疗，但他们可能会在未来放疗成像中使用。与引起谱峰的典型荧光不同，CR光谱与更高的能量条件相关的较高频率相连。这个过程中所产生的光子已经用于CCD光学成像系统的小鼠检测。不过， CR产生的光主要是紫外线和蓝光的范围，它被高度吸收，因而限制了其在体内光学成像的实用性。然而，这种局限性已经克服使用多模的策略，即切伦科夫放射作为一个过程中相邻荧光团的能源受体，称为切伦科夫辐射能量转移（CRET）。通过耦合PET同位素和量子点，可以被大概范围波长激发和产生荧光，它有一个高的斯托克斯位移（即波长高于激发光），切伦科夫辐射可诱发相对容易检测的光。
B.1.2核磁共振成像/光学多模探针
多模成像的另一种方法是结合核磁共振成像和光学成像能力。在这个结合中，MR提供了详细的解剖成像，而光学元件提供实时分子靶向选择，它可用于图像引导程序。潜在的临床应用，包括在治疗癌症时，紧随光学图像引导手术干预之后的术前磁共振成像。这些探针的发展普遍面临的挑战是MR（低灵敏度）和光学成像（高灵敏度）之间检测灵敏度> 1000倍的差异。一个浓度高得多的MR试剂需要实现成功的成像光剂对比。另一个挑战是，MR本质上是一个三维成像方法，而光学成像一般是投影成像方法。因此，光学图像往往是叠加在MR图像的表面。创建一个双峰MR/光学药剂，允许叠加图像，并含有足够的顺磁信号以生成图像而不会覆盖光学信号是具有挑战性的。
B.1.2.1核磁共振成像/光双标记探针
无数双功能MR/光学探针已开发.三个主要方法是一般用来合成这些探头：（1）氧化铁纳米粒子功能化荧光分子，（2）本质上是顺磁性生物相容性的分子，但也有光学特性（3）特别为MR和光学成像设计的纳米材料。
氧化铁（IO）磁性纳米粒子的使用，如小颗粒的IO，IO的超小型粒子，磁IO的纳米粒子和交联IO一般被用于双MR/光学探测器平台。IO纳米粒子具有临床上可应用的优势，带有有利的毒性型面且利用众所周知的铁补救合成已通过进化保存的代谢。此外，IO纳米粒子（NPS）表明体内根据它们的大小，且大小可以调整为特定应用，有不同的药代动力学行为。例如，IO的直径超过100nm可被快速识别，通过网状内皮系统（RES），并迅速从血浆到肝，脾，骨髓中清除。因此，这些器官是此类药物的逻辑目标。相比之下，小于直径30纳米的大分子通过RES急剧开始减少，因此，有较长的循环半衰期及提高的渗透积累和保留内肿瘤（EPR）。此外，细胞表面的化学修饰也影响体内的分布，并可以根据需要作出具体改建。双峰MR/光学探针的应用已经纷繁多样。一种范式，术前磁共振成像是用来确认在大鼠植入脑肿瘤的诊断和术中实时近红外荧光成像是在切除术中用来区分正常脑组织中的癌组织。
氧化铁纳米颗粒的一个重要的缺点是它们在基于质子的MR上产生了一个负信号,这比正信号难以监测到。另一个MR探针的设计策略是用传统的小分子钆螯合物来功能化分子或粒子，从而使分子具有顺磁性而产生一个正信号。尽管目前提供的毒性数据比较少，有机分子可能有具更多的生物相容性,因此可能更多地与临床相关。有机分子能够连接到顺磁性的螯合物包括树枝状分子、纳米微粒病毒衣壳脂质体,甚至自然产品(如功能化的低密度脂蛋白微粒。由于释放自由钆离子，螯合物具有强大大环钆还大大减小毒性的可能性。这项策略已经成为一系列双MR/光学试剂的基础，被认为有潜力转到临床。例如，多Gd-DTPA螯合物的聚合物已经被认为是可行的MR药剂。替代Gd-chelates之一在随后他们以此胺捆绑荧光团创建一个MR，敏感性差异的MR和通过光学补偿的相对数量的附呈分子。另外，利用纳米药物可进一步降低毒性，小到可以从泌尿系统排泄出去，从理论上讲，有更好的安全性（图5）。

图5：小鼠胸腔的淋巴结成像，使用MR和光学标记探针。

很多工作正在研究关于体内分子影像的有机和非有机纳米颗粒发展的纳米材料科学。在各种各样的纳米材料中，由于广泛的合成的可能性，树枝状分子、荧光量子点相当有前景。由于多数蛰合物可以连接到一个单一的化合物上，分枝聚合物的结构为杂交提供了一个理想平台和可有效克服MR和光学药剂之间的敏感性差异。另外，体内基于MR药剂聚合物的行为由其直径决定，且颗粒可以优化理想的药力学参数，比如它们从血管排泄的能力或通过肾脏或肝脏排泄的能力或由RES识别的能力。另外，这些分子的大尺寸提高了磁力，这是由于可达到同样信号变化的低要求钆中心产生的2-3个因素造成的。
量子点也是双MR显像剂的一个潜在的平台而且很多的MR-QD应用已经公开发。量子点可以连接到MR活性分子或通过合成掺杂其中。一个标准的连接方法是将DOTA或 DTPA连接到胺复合物QD的表面，然后与MR离子结合。树枝状分子或QD的使用可以克服光学和MR之间在灵敏度上的差异。量子点在医学上使用的一个普遍的限制是它们包括例如钙和硒这样的重金属，当重金属的量过大就会产生毒性。然而，如果使用了允许肾排泄的特殊设计的尺寸参数，这样就会大大降低正常肾功能病人的暴露时间，因此毒性就会降低。
B.1.2.2镧系金属MR/光学成像
在光学成像中限制TBR的一个问题是在荧光团中从自然产生的背景荧光中区分目标荧光。用来克服这个问题的标准策略是用具有远离自动荧光范围的发射光谱的探针，这种自动荧光是最大的红绿可见光谱的一部分。一种相对较新的策略是用UCL，一个低能耗高波长的过程，通常是在NIR范围内，通过顺序的多光子吸收或能量转移转化为高能量可见光谱。这和传统的荧光不同，传统荧光中更高的能源励磁光被荧光吸收，但以较低的能量排出。在使用激发波长的稀土金属中，UCL被证明比自荧光效果良好。例如，稀土元素在连续释放980nm光波的情况下具有独特的UCL特性，在这种能量下，既不会激发内在荧光探针，也不会激发传统荧光探针。
牢记这一点 ，稀土掺杂纳米晶体稀土配合物对于MR生物模型和光学图像具有独特的特性，这些奈晶体的表现得顺磁特性是Gd3+由于局部磁运动所致。不像传统的钆离子配合物,无需特别的松弛原子，最近的报告表明镧族稀土元素有最为“厉害”的磁共振造影剂的潜能，以具体的生物分子的形式阐明松弛度的提高。我们论证肿瘤UCL在体内用一个粘合素受体标记后会是多重彩色图像。探针成像不需要自动荧光背景，却产生一个较高的TBR. 稀土掺杂纳米晶体作为双峰单探针具有重要作用，应为在身体深处具有兴奋荧光团的能力，表明有很好的光化学稳定性和最小自动荧光。
B.1.3多模核磁共振探针
PET作为非常有用的工具用于全身成像其探测灵敏度低于物质量浓度范围。在PET-CT成功后下一步就是把核图像、PET、SPECT跟磁共振图像联合起来。然而，仍存在许多障碍。例如PET在较高场强时探测功能相对MR来说不是很好。早期用于固态的PET在磁场中具有较低的灵敏度，这样会促进PET-MR成像探头的发展。我们组发展了一个双峰PET/MR图像的单探针，在体内很有效。针对肿瘤/内皮质蛋白，α-vβ-3，超顺磁性氧化铁核用DOTA进行功能化，PET图像整合能够使探针具有双稳态的图像功能。另一个双峰PET/MR图像显像剂的发展使用MnEIO作为MR图像显像剂，I作为PET的。值得注意的是，多信号磁共振的继续发展，就如下面的讨论，可能会降低双峰PET/ MR探针的需要。
B.2 多彩色成像探针
多彩色成像使两个不同目标产生极大分歧，促使多参数图像。多彩色图像的优点是它比序列执行探针更有效，并且允许两个不同目标合并成像。由于这些原因多彩色图像是非常可取的策略，广泛的包括多个核探针杰出能量的使用，光剂的使用，甚至使用光谱的不同部分和多参数的磁共振图像。
B.2.1 具有多色探头的光学成像
光学图像对于多彩色图像而言很自然的被接受。这个策略通过使用大量颜色探针设计多彩色光学图像而达到，以至于每个带一个不同的接收器。多个光学感受器同时使用，每个目标一个不同细胞接收器。多彩色图像能够增加图像的特定性和敏感性。虽然癌症能够表现出特定细胞接收器，但是相同的细胞接收器也能表达在正常的组织中。通过联合细胞表面感受器，能够增强目标组织的敏感性和特定性。绑定多个探针的组织由合并色彩确定（绑定相同细胞的绿色和红色探针会产生一个黄色），多彩色视觉图像可以用于其他生理学加工。例如肿瘤微环境或淋巴引流（见图4）。推动外科肿瘤切除术的一个目标就是更好的在可能丢失的图谱和基质细胞中更好的确定疾病的微小病灶。多彩色光探针很可能探测残余肿瘤帮助图像指导的组织移除。多种颜色的光剂可结合多种发法成像。
B.2.2 “多色彩”核图像
利用γ相机能量分辨率和γ辐射源的不同类型，多核探头可能会同步探测，每个目标过程不同。不同的同位素发出不同的原子能量，然后用于标记核图像的“颜色”。临床设备包括SPECT用于甲状腺和甲状腺旁腺成像，其中放射性碘和铊一起使用，也用于心脏显现其中放射性鎝和铊一起使用。在急性心肌梗塞的评估用于确定病人血液流动的区域并且Tc-labelled myosin antibody-fragment通过暴露纤维肌确定心肌受损区。虽然多路复用核图像提供了有用的视野，由于SPECT较低的空间分辨率而不能广泛应用并且需要双倍量的电离辐射剂。此外，当前策略对有多个抗体的图像需要几天时间来获得足够的TBR.每一种类型的发射器有着不同的半衰期和决定同位素右联合以至于优化单个图像部分的间隙药和辐射的物理半衰期是有挑战性的。因此，多色彩图像主要用于应用，由于放射性同位素不同的半衰期，图像在注射试剂较短的时间可以减少影响。
B.2.3 “多色彩”磁共振图像
在磁共振图像中对比增大有两个因素决定：原子的密度和原子的松弛性能。传统的磁共振造影剂通过缩短附近质子的纵向和横向驰域时间，大部分在水分子中。对比几个重要的磁共振差异：（1）造影前的图像一般作为加强区域的基线鉴定。（2）测得的效果是剂的微环境（pH值，温度）和剂浓度的功能，在体内的未知;（3）针对性的MR造影剂允许每个测试目标只有一个成像。最近一个新的对比战略已经开发出来，不靠水的质子，但转而依赖化学交换饱和转移（CEST）。这些造影剂的工作，通过有选择地减少CEST剂使用可交换质子的磁化水信号，而最低限度影响的纵向弛豫率。这项技术已用于实现多色磁共振成像一系列多肽序列是由他们交换质子共振频率来区分。在胶质瘤中，CEST已被用来区分放射性坏死和肿瘤组织，通过检测高于正常浓度的内源性的移动比正常组织。CEST结合CEST时区/常规MR在恶性胶质瘤中的高浓度存在的蛋白质和多肽的酰胺质子成像与许多潜在的应用是一个强大的的新的成像技术。
B.3 多信号成像
利用多信号采集的多路复用成像是从相同的采集通道中获得两个或更多明显的信号。例如，临床双能量CT是依据组织在两个独立的X-射线能级上不同的吸收特性来表示成像过程，如在器官和肿瘤中碘化钙的分离（例肿瘤，动脉血小板），肾结石的形成，痛风，灌注，和局部血流量。磁共振成像和光学成像也能实现多信号成像。
B.3.1 多信号MR成像
MR成像在本质上是一种多重信号的成像。多参数MR成像结合两个或更多的MR成像技术，是应用多信号方式的一个例子。因为这种方法没有电离辐射，而且也不用任何对比剂，采用大多数现代MR成像扫描仪就可以实现，所以它普遍用于临床诊断。弥散加权成像（DWI）依据水质子的扩散率，能够提供关于细胞密度的信息。DWI提供全局功能信息，而且用时间效率法能够突出显示肿瘤和非肿瘤的病变情况。传统MR成像和DWI相结合实现多信号MR成像，它提供功能和解剖学的数据信息。用这种方法获得的临床图像在显示肿瘤点上可以和PET/CT成像相竞争。相比于单独的DWI，它和解剖MR成像相结合的多参数成像很大地提高了肺癌病人的骨转移检测的专一性和准确性。类似地，DWI /T2加权成像的结合可以很大地改善对包括前列腺癌在内的腹部恶性肿瘤的检测的敏感度和特异性。进一步，结合DWI和灌注加权成像的多参数MR成像对识别急性中风和它的半影很有用，对于中风后采用溶解血栓治疗的病人来说，可以选择它作为治疗手段。
B.3.2 多信号光学成像
多信号分子成像是从单一的信号源中分离出多路数据类型。同样的原理可以应用于光学成像。信号强度可以衡量局部荧光浓度，因此就探针的分布来说，它能够提供半定量数据。荧光寿命的测定（描述初始发射后荧光损失的时间常数）作为一种独立的参数，仅依靠微环境的因素，例如温度和PH。测量这两个不同的参数可以确定探针浓度，同时进一步洞察与肿瘤微环境有关的物理因素（图6）。临床应用包括肿瘤特异性光学探针，它能够有效地定位癌组织。此应用能够通过测量荧光强度而获得肿瘤成像，同时荧光寿命能够预测肿瘤微环境下组织氧合和缺氧的程度。

图6：荧光强度和寿命的多信号成像，它是小鼠体内注射赫赛汀-Alexa680的荧光抗体2天后HER2+ (3T3/HER2) 和HER2- (Blab/3T3)的显像。HER2-显示较高的荧光强度，由于EPR效应。另一方面，HER2+荧光寿命较长，因为抗体和抗原在细胞表面的特异性结合。

C 靶向特异性分子成像探针：化学和生物
到目前为止，我们已经讨论最优化多路技术（结合多路成像方法）的分子成像的技术方法。另外一种改善分子成像的方法是最优化成像探针来提供最大的靶向-背景比率（TBR）。为了最大化TBR,成像探针应该累积靶组织/细胞的信号，同时迅速清理背景里由非靶器官和组织导致的最小信号。然而，这是很难实现的，因为体内众多靶向大分子部分的药代动力学，例如单克隆抗体，是由血管室的持续间隙来决定的，这些都会导致高背景信号。另一方面，虽然小分子的特异性差些，但是更容易被清除，因此能够进一步改善TBR，同时会减小靶向累积的绝对数值。另外，在器官（肝，肾，胃肠通道）排泄通道的成像具有挑战性，因为空隙能够遮盖这些器官内部和附近的病理特征。常规影像学探针用于CT、MR和放射性核素成像，始终“在线”，因此，从探针中发射的信号能够反映它们的生理分布，但这会导致高背景信号。减少背景噪声的一种方法是应用信号激活机制,探针只针对靶组织“在线”。信号激活策略结合生物学(靶向结合)、药理作用(体内的药代动力学和靶向输送)和化学(信号激活)三种学科知识（图7）。

图7：靶向特异性可激活分子探针的设计图

C.1 多信号药剂的生物分布
在给定探针的TBR中，药代动力学和生物分布起了很重要的作用。一般来说,成像探针通过维室被输送到靶向组织，最终的肿瘤信号基本取决于组织灌流,循环时间,以及内皮细胞渗透率，统称“输入功能”。另一方面,清除循环探针和它新陈代谢的产物会产生非特异性的背景信号,因此，延长的循环时间会减小TBR。考虑到这一点，对具有传统“在线”信号组织进行优化TBR会陷入两难的境地，一方面要求高的血药浓度，以最大化实现靶向组织的累积，另一方面低的血药浓度可以尽量减少背景信号。简单地说，大分子靶向基团如单克隆抗体具有高度特异性，能够以较高的浓度输送到靶向组织。不幸的是，这些大分子中未结合的分子具有延长循环保留时间的不良特性，这将导致高背景信号。然而，小分子被迅速清除可以提高了靶向的背景对比度，但会减少靶向组织绝对量的累积，增大排泄路径上的累积，通常是肝胆系统或泌尿通道。一种不同的减少背景值的药代动力学方法是在循环时“追赶”未结合的探针，它是通过注射药剂来结合和隔绝未结合的探针。但是，这种方法要求注射第二剂。发展起来的局部激活法可以解决这个问题。最近研发出的新一代激活剂已经在小动物体内完成测试，表明只有当靶组织结合到特定分子时才产生信号，而循环部分未结合的分子不产生信号。传统探针和激活探针在优化TBR方面是不同的，因为激活显像剂的设计侧重于实现高输入功能，它主要是通过测量高血液探针的浓度，而传统探针则侧重优化结合探针的部分。传统“在线”探针与“可激活”探针在药代动力学性质的差异方面将分别在下面部分的章节里讨论。
C.1.1 药代动力学和组织分布
针对血管和血管外室，分子尺寸是其保留时间的主要决定因素。大分子如抗体，除非被识别出来，否则它们会一直循环几天或几周，，然后被困在肝脏或脾脏的网状内皮里。小分子如多糖或氨基酸/多肽等，一般在多次循环的过程中被清除。因此，大分子显示高输入功能，但也从长期循环保留中获得高的背景信号。相比之下，小分子显示低输入功能和低背景信号。因此，对于“在线”药剂，大分子和小分子显像剂几乎没有区别。有趣的是，中间大小的药剂显示出最高的TBR，同时成像的靶向积累是可以接受的。对“可激活”探针，大分子显然是理想的，因为这些探针能够实现最高的靶向积累，而背景信号微不足道。然而，对于宏观分子，大分子穿透到深处组织的渗透性较差，会导致靶向积累缓慢（图8）。在合理时间范围内，大小近似一个IgG免疫球蛋白（150 kD的;12*9nm）的分子是进行靶向积累的最优选择。

图8：血液清除和肿瘤摄取图，描述了各种大小的抗体和基因修订后的抗体。

C.1.2 清除/排泄
注射分子大多进入尿液或胆汁而排出体外。肾脏通过两个独立的过程迅速排泄小分子：（1）肾小球过滤（2）肾小管分泌。肾小球滤过不通过宿主细胞的探针通道，因此它被认为是最安全的排泄路线。尽管小分子如氨基酸和离子可能会被吸收，然后由肾小管分泌排泄，但是大部分显像剂是通过肾小球过滤作用排泄出来的。直径小于5.5nm的硬分子/晶体以及具有灵活形状的稍大的蛋白/聚合物，可以通过肾小球滤过作用排泄。无论是肾小球滤过还是肾小管排泄，过程都很迅速。因此，肾脏排出能够很快地从循环中清除显像剂，从而减少背景信号和改善TBR。同样，减小的循环保留时间平衡了输入功能，因此可以减少靶组织探针的累积。然而，尽管这样，对于“在线”信号的药剂，我们总是认为肾脏排泄是有优势的。肾脏排泄的缺点是泌尿生殖道，肾脏，输尿管，膀胱的病理更难诊断。相比之下，肝排泄一般是一个缓慢的过程。大多数的显像剂不经肾脏排出体外，会滞留在循环中几个小时，几天，甚至数周。因此，一般来说肝排泄对于“可激活”显像剂是有利的，因为延长的保留时间会导致非常高的输入功能。值得注意的是，由于“可激活”显像剂在排泄期间没有被激活，所以排泄通路信号不构成问题。
C.2 细胞结合与激活
大多数情况下，在体成像旨在可视化具体数目的细胞或细胞的功能。组成脂质双分子层的外层脂质在细胞周围形成一个半渗透膜。多数大型分子和亲水性小分子无法穿透细胞膜。然而，某些非渗透分子如输送体或受体通过跨膜泵跨越脂质双分子层。一些小的或疏水分子如类固醇，可以直接穿透细胞膜，然后在细胞质或细胞核中结合到特定的受体上。到目前为止，这一策略的临床应用相对有限，但最近已经报道了雌激素受体阳性组织的PET显像，它是通过在激素治疗的乳腺癌中用放射性同位素标记雌激素衍生物进行响应。因此，分子成像可以设计成与特定细胞膜靶向的探针。此外，结合后，探针可能经过内化作用和进一步的酶或溶酶体处理使信号产物激活。
C.2.1 靶向积累
数以百万计的不同分子以及这些分子的不同组合都是在细胞表面表达。然而，对于某些数量的特定细胞很少有特异性表达。为了实现靶向特异性分子成像，TBR是细胞水平上的一个重要的考虑因素。为了实现这一目的，相比于正常细胞，靶细胞要么表达特有的分子，要么过度表达一个共同的分子至少100倍。例如，在一些改变受体的癌细胞上，如表皮生长因子（EGF）受体或糖基化产物如唾液酸- Tn，TAG72，和Louis-Y抗原可以特异性的靶向。针对肿瘤特异性成像，EGF受体可以被用来作为靶向，因为它在肺癌，乳腺癌及消化道癌的大部分区域是过度表达的。因此，一般情况下，分子如生长因子或细胞因子受体在癌形成过程中被表达，这可能有助于肿瘤细胞增长，因此对癌症分子成像时往往要合理选择靶向。
C.2.2 细胞里的生化过程和新陈代谢
通过特定的通道将探针结合到一个特定的分子或进入靶细胞后，生物处理和/或分解代谢有利于增加探头的积累，进一步改善TBR。例如，18F-flrorodeoxy葡萄糖（18F - FDG）或18F –氟胸苷（18F- FLT）通过特定的激酶（己糖激酶，胸苷激酶）进行磷酸化，接着进入细胞质的运输，随后被困在细胞内。此外，18F - FDG--6 - 磷酸没有被葡萄糖-6 -磷酸酶水解，因为通常不认为它是酶作用物，在细胞质里积聚而无法通过糖酵解级联。因此，18F - FDG在细胞内积聚。 高特异性结合到细胞表面分子的靶向特异性配体，能针对成像探针提供类似的诱捕机制。例如，相比表皮生长因子受体基团，单克隆的以免疫球蛋白为基底的显像剂可以结合到膜上的相邻受体，导致二聚和随后细胞域间的磷酸化作用，进一步导致了抗体 -受体复合物的内吞作用和溶酶体的的内化作用。在内质溶酶体中，成像探针暴露在苛刻的化学环境导致分解代谢，利用保留的激活信号的过程在稍后的章节里描述，3.3.2。既然在抗原抗体结合的时间段里靶向特异性是安全的，任何导致探针保留或信号激活的生物处理机制可以改善TBR。
C.3 分子水平
考虑到成像探针在体内的药理和生物处理，可以设计具有超强特殊性的显像剂。在一般情况下，靶向是分子如抗原，受体，或基片，能够在结合后改变探针，例如：酶催化。因此，设计分子显像剂的中心原则是探针应包含基团，能够结合到靶向分子或被靶向分子识别。此外，将后结合分子合并的加工过程考虑到显像探针的设计中可以增强保留时间或增强信号激活，并能进一步改善TBR 。
C.3.1 靶向特异性
具有靶向的药剂如抗体或受体-特异性配体会产生高度特异的分子成像探针。相比之下，指向分解代谢过程的探针需要额外的机制来实现包含处理分子点的特异性。大部分酶靶向探针依靠发生靶细胞表面上或外部的反应。然而，有几个显著地例外，即18F - FDG，在细胞质中结合到己糖- 6-磷酸酶。因此，如果没有局部化的机制，处理的成像探针可能从靶组织泄漏出来，增大背景信号而减少TBR。因此，一个重要的设计标准是保证探针保持在理想状态，即使得酶分解代谢的疏水部分在细胞膜外，亲水部分在靶向细胞内，这样就不能从细胞里泄露出去。这类似于18F - FDG探针细胞捕获机制，经过细胞内磷酸化作用，有效地困住细胞内的探针。利用这样的机制会导致高效的探针保留时间。
C.3.2 特异性结合后的化学或酶反应过程
靶细胞表面上结合了特异性分子后，在特定的化学和生物条件存在的情况下，包括低pH值（4-5），高氧化条件，高活性的酸性蛋白酶等，大比例的成像探针被内化作用成内质溶酶体。增加探头保留时间的酶处理的一个例子在放射性药物里来源于螯合物的无线电金属的释放，如DTPA的衍生物。这种探针在酸性条件下释放基本的放射性同位素。射电金属通过内源性含金属蛋白质作用进行转移螯合，包括金属硫蛋白，从而导致靶细胞内保留时间延长，一些疏水性有机荧光标记成像探针在溶酶体里异化释放出荧光氨基酸分解代谢产物。这些小分子可以穿透脂质双分子层和迁移进入细胞器如线粒体，导致探针保留时间延长。这样的保留机制有利于增大“在线”和“激活”成像探针的TBR。
细胞内的化学或酶处理在设计一些依赖于特定的激活机制的“激活”成像探针时起着显著作用。例如，PH -激活，氧化-激活，酶-激活，解折叠或分解代谢-激活探针最近已经合成，它是通过分子间的作用，分子间的荧光基团，或内部分子的光化学反应来合成，这将在下节中讨论。
如果特异性探针在结合到靶向分子后表现出最小的内在化，“激活”显像方式可以根据预定位机制进行裁剪。一种方式是先注入靶向特异性结合试剂，它与激活基团如生物素或酶成对，接下来进行包含“激活”显像剂的第二次注射，它通过结合或酶裂解来与预定位基团反应而激活。
C.4 通过能量转移和消除淬灭的机制进行信号激活
在设计“可激活”光学成像探针时，包括能源或电子转移和释放的光子诱导机制能够激活荧光。有效地“可激活”淬灭机制可以分为两类：（1）在荧光团中间的淬灭机制，包括福斯特共振能量转移（FRET）和的同源或异二聚体（2）内在荧光团的淬灭机制，包括光子诱导电子转移和所谓的“笼子”荧光团（如图9）。
对于淬灭荧光信号，当两个荧光基团接近时，非辐射的FRET会出现，从而使得单个分子上处于兴奋的供体和受体之间，或是两种不同的结合分子之间交换能量。此外，当两个荧光基团足够接近到实际表现为一个单分子时，一些分子形式如H型或J型二聚体是完全无荧光的，但解离后发出信号。报道显示溶液中H型二聚体的电离常数约10-4mol/L。然而，当两个分子被成对结合到一个单个的蛋白质骨架上时，H -二聚体能以低得多的浓度保持稳定。淬灭和激活两种机制都取决于两个荧光基团之间的距离。
光子诱导电子转移是基于占用率最高的分子轨道和最低的分子轨道状态之间的能量水平差异，它可以通过连接或分离核黄嘌呤素上的某些副残留物或荧光团的苯环来进行合理的修正。光子吸收或酶裂解后电子发生转移而诱导的化学变化导致构象变化，从紧密的接近立体形释放出荧光团。鉴于淬灭和激活可以在单个的荧光基团上发生，靶向特异性“可激活”成像探针复合物可以使应用这些机制的小分子包含在较大的大分子里。

图9：依据光-化学反应的可激活机制，（a）FRET （b）H-二聚物的形成 （c）PeT (d) “笼状”荧光团

C.4.1 分子间和分子内部的福斯特共振能量转