超声分子成像

2021-03-12 17:35:44 浏览:1106

定义

超声分子成像是一门结合了超声医学、分子成像、材料科学和纳米技术的学科,具有无创性、精确性和可重复性的独特优势。用于超声的超声造影剂(UCA),是一类显像剂,可以显著增强检测中的回声信号,提高超声图像的质量,并提高超声诊断的灵敏度和特异性[1]

超声分子成像的目的是通过特异性的配体-受体结合来选择性地检测和增强源自分子粘附的微泡的回波信号,同时抑制源自背景组织、自由循环的微泡和非特异性粘附的微泡[2]

图 1 靶向微泡示意图

超声分子影像的优势

CEU具有几个独特的特性,使其有别于其他分子成像技术:

(1)它能够快速(在5-10分钟内)获得疾病的非侵入性测量结果,并且可以使用便携式且相对便宜的成像技术来完成,这意味着可以在床旁进行分子成像。超声非常适合针对特定疾病表型进行大量人群筛查。

(2)从研究的角度看,超声分子成像所用造影剂的分辨率和灵敏度之间具有良好的平衡。快速的成像方式和造影剂信号较快衰减为在短时间内检查多个分子过程提供了机会。

超声造影剂

超声造影剂(ultrasound contrast agent, UCA)可以有效地使超声波反向散射,因此可以被检测到并与周围组织区分开。尤其是在人体微小血管和组织血流灌注成像方面, UCA的应用使得超声血流成像更为真实,具有实时、伪像少、操作简便、无离子辐射,相对价廉,适用面很广等优点。

声波在不同声介质之间传播时,会在界面处发生很强的背向散射。红细胞与血浆间的声压反射系数为(Ra)为1.3%,而气体与血浆之间的Ra为99.95%。因此与组织相比,以气体为核心的微泡会产生很强的背向散射信号,从而在B-mode中得到很强的超声信号,在图像上更清晰的显示血管位置和大小[5]

此外,液体中的微泡在超声波作用下吸收并散射能量的同时,还以自身固有的频率做膨胀与收缩震动。声波在组织中传播时,遇到规则界面,声波会发生反射和折射,即线性传播;遇到非规则界面,可发生波形畸变,谐波成分增多,声衰减系数增大,即非线性传播。因此,与组织相比,微泡在超声作用下可以产生更丰富的谐波信号。通过抑制基波,增强谐波,可以得到信噪比大大提高的超声谐波成像图像。

微泡的靶向策略

分子成像应用需要在静脉内注射造影剂后靶向目标受体。因此,微泡需要具有相关亲和力和特异性的合适的配体官能化,以允许微泡在生理流动条件下结合并保留在靶向区域。

MBs的保留可以通过两种不同的方法来实现:

非特异性地保留MBs,通过其与内皮细胞的结合或粘附和活化白细胞,通过这些细胞的内源性能力来结合MB外壳成分。这种结合涉及许多途径,但最明确的过程是调理作用,即血清补体蛋白与MB表面结合,然后被白细胞或内皮细胞上的补体受体识别。外壳成分的选择、电荷和PEG的存在都在决定MB对白细胞和内皮细胞的粘附程度以及从网状内皮系统中去除它们的速度方面起着关键作用。

另一种是特异的靶向MBs的策略是通过直接在MB表面结合靶向配体,通常是抗体、肽或糖蛋白。靶向配体通过多种途径附着在MB表面,包括生物素-亲和素和直接共价连接。为了改善化学计量学和减少必要的键合力以保持力,接合通常是在柔性聚乙二醇系索的末端。

1、生物素-亲和素

生物素化抗体通过链霉亲-生物素-聚乙二醇(PEG)聚合物。

通过脂质锚固剂接枝到微泡壳上。亲和素(avidin)是一种糖蛋白,可由蛋清中提取。分子量60kD,每个分子由4个亚基组成,可以和4个生物素分子亲密结合。现在使用更多的是链霉亲和素(streptavidin)。生物素(biotin),广泛分布于动、植物组织中,常从含量较高的卵黄和肝组织中提取,分子量244,31Da。经化学修饰后,生物素可成为带有多种活性基团的衍生物——活化生物素。活化生物素可以在蛋白质交联剂的介导下,与已知的几乎所有生物大分子偶联,包括蛋白质,核酸,多糖,脂类等。亲和素与生物素的结合,不属免疫反应,但特异性强,亲和力大,极为稳定。

2、靶向微泡保留的主要决定因素

微泡探针对靶分子的特异性取决于多种因素,例如非靶向结合、靶向配体对目标分子的特异性、键动力学、靶向配体的表面密度、靶向配体的取向以及其他因素。即使使用高度特异性的探针,也必须考虑目标分子的特征,例如区域和时间表达模式,目标分子与目标疾病途径的相关性以及在不同剪切条件下的键动力学[7]

靶信号成像

对内皮上的靶分子进行分子成像的常用方法是注入大剂的量MB,让它们循环5-10分钟。在这段时间内,一部分MB与其组织内的靶点结合,同时由于网状内皮系统的摄取,气体损失和外壳崩解,大部分未结合的自由循环MB从血池中清除。在循环时间之后,获取包含附着的和循环的MB的图像帧,然后通过施加高功率超声脉冲破坏感兴趣组织中的MB。循环的MB的总数不受影响,并且感兴趣的组织将通过循环的MB进行补充。

1、微血管炎症超声分子成像

参与白细胞募集的各种粘附分子以及为检测或抑制它们而建立的大量配体库,使炎症的CEU分子成像具有多种形式。

2、 肿瘤超声分子成像

引入分子靶向的MBs和不断发展的分子成像技术是一种有前途的肿瘤成像新方法,并可能为早期癌症检测,癌症分子谱分析,改善病灶特征和治疗监测铺平道路在癌症中,来自宿主周围组织的新血管的形成和募集是早期肿瘤发展的最重要标志之一。

参考文献

[1] Li, Yue, et al. "Ultrasound technology for molecular imaging: From contrast agents to multimodal imaging." ACS Biomaterials Science & Engineering 4.8 (2018): 2716-2728.
[2] Wang, Shiying, John A. Hossack, and Alexander L. Klibanov. "Targeting of microbubbles: contrast agents for ultrasound molecular
[3] STRIDE E, SAFFARI N. Microbubble ultrasound contrast agents: a review [J]. P I Mech Eng H, 2003, 217(H6): 429-47.
[4] DINDYAL S, KYRIAKIDES C. Ultrasound microbubble contrast and current clinical applications [J]. Recent patents on cardiovascular drug discovery, 2011, 6(1): 27-41
[5] Sboros V. Response of contrast agents to ultrasound[J]. Advanced drug delivery reviews, 2008, 60(10): 1117-1136.
[6] Stride, Eleanor, et al. "Microbubble agents: New directions." Ultrasound in Medicine & Biology (2020).
[7] Brown, Eran, and Jonathan R. Lindner. "Ultrasound molecular imaging: principles and applications in cardiovascular medicine." Current cardiology reports 21.5 (2019): 30.
[8] Chadderdon S.M., Belcik J.T., Bader L., Kirigiti M.A., Peters D.M., Kievit P., Grove K.L., and Lindner J.R.: Proinflammatory endothelial activation detected by molecular imaging in obese nonhuman primates coincides with onset of insulin resistance and progressively increases with duration of insulin resistance. Circulation 2014; 129: pp. 471-478

超声成像

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