摘要:作者单位:300071 天津,南开大学医学院(周钰程);100853 北京,解放军总医院第二医学中心老年医学研究所,国家老年疾病临床医学研究中心(方岩、曹丰)
中国心血管杂志
2025
Chinese Journal of Cardiovascular Medicine本刊为北大《中文核心期刊要目总览》2023年版入编期刊、科技期刊世界影响力指数(WJCI)报告2024收录期刊、中国科技核心期刊、武大(RCCSE)核心期刊,欢迎来稿!
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心血管损伤的分子影像研究进展
Research progress on molecular imaging in cardiovascular injury
周钰程 方岩 曹丰
作者单位:300071 天津,南开大学医学院(周钰程);100853 北京,解放军总医院第二医学中心老年医学研究所,国家老年疾病临床医学研究中心(方岩、曹丰)
通信作者:曹丰,电子信箱:fengcao8828@163. com
引用本文:
周钰程, 方岩, 曹丰. 心血管损伤的分子影像研究进展[J]. 中国心血管杂志, 2025, 30(2): 138-142. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5410.2025.02.004
心血管疾病(cardiovascular diseases,CVD)是一组涵盖心脏和血管失调的诊断类别,包括冠心病、脑血管疾病、外周动脉疾病、主动脉粥样硬化和胸/腹部主动脉瘤等,其发病隐匿,突发危重,已成为我国城乡居民死亡的首要原因[1]。据《中国心血管健康与疾病报告2023》报道,在我国每年有5 187万CVD住院患者,医疗费用支出超过2 121亿元[2],给国家带来严重的经济负担。心血管损伤和动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)是CVD尤其是冠心病发生发展中最根本的病理因素,如何早期诊断和早期评估是降低CVD风险、改善疾病预后的关键。分子影像的概念最早是由哈佛大学的Weissleder教授于1999年首次提出[3],其定义是将分子生物学与现代影像医学相结合,通过影像学技术在组织和细胞水平上展示特定分子,反映活体内分子水平的动态变化。该技术经过30余年的发展,已广泛应用于肿瘤、心血管系统、代谢等领域,不断在分子靶点、探针设计及成像技术上推陈出新。本文就目前针对冠心病心血管损伤的分子影像研究进展进行综述。1 心血管损伤标志物的发现为分子影像提供靶点
心血管损伤是指由于各种病理因素(如缺血再灌注损伤、炎症、氧化应激、高血压、糖尿病、AS等)导致心脏和血管组织发生结构和功能异常的病理过程,依据损伤部位分为心肌损伤和血管损伤。
心肌损伤的病理变化包括心肌炎症、心肌肥大、心肌死亡和心肌纤维化等。感染或缺氧等诱因可激活心肌组织内损伤相关分子模式如白细胞介素(interleukin,IL)-1α、高迁移率族蛋白B1等,Toll样受体通路,炎症因子及免疫细胞亚群如调节性T细胞、CD8、巨噬细胞极化型[4]等的协同作用,共同驱动心肌炎症反应的启动、调控与修复过程[5]。多种慢性炎症长期刺激可诱发心肌细胞肥大,相关分子靶点包括G蛋白偶联受体信号通路、受体酪氨酸激酶信号通路与钙信号通路(如活化的T细胞核内因子、Apelin)[6]、丝裂原活化蛋白激酶信号、氧化应激、IL-6及肿瘤坏死因子α调控通路[7]。重症感染或缺血导致心肌死亡,其分子靶点包括亲环蛋白D和线粒体通透性转换孔等线粒体功能障碍、受体相互作用蛋白1/受体相互作用蛋白3/混合谱系激酶结构域样假激酶的死亡受体(RIP1/RIP3/MLKL)通路的激活及氧化应激调控通路[8]等。心肌纤维化是心肌细胞衰老及损伤后修复的常见病理改变之一,其分子标志物包括转化生长因子β信号通路、细胞外基质蛋白调控、成纤维细胞活化因子(如血小板衍生生长因子)及炎性因子[9]等。血管损伤的病理改变包括AS、血管瘤形成,管壁扩张及管周脂肪组织蓄积等。AS中分子标志物包括炎症细胞、脂质/脂肪酸、局部乏氧区域、血管生成因子的局部表达、蛋白酶的局部表达、血栓的血管内病灶、细胞凋亡、微钙化中骨桥蛋白(osteopontin,OPN)等相互作用[10-11]。管壁结构受损后导致血管瘤形成的分子标志物包括血管内皮生长因子受体2信号通路、T细胞核内因子激活、β1整合素调控以及缺氧诱导因子1α介导的血管生成[12]。血管壁扩张的分子标志物涉及氧化应激、基质金属蛋白酶活性、大鼠肉瘤(RAS)信号通路、血管平滑肌细胞重构及炎性因子[13]。近年来研究表明,血管周围脂肪组织也是影响血管功能的重要病理变化之一,其分子机制靶点包括炎性因子、腺苷酸激活蛋白激酶(AMPK)信号通路、氧化应激及脂肪细胞因子(如脂联素)调控通路[14]。上述多种病理机制中分子标志物的参与构成了心血管损伤发生发展的复杂网络,揭示了其病理过程中的关键节点。心血管损伤标志物可作为分子影像的靶点,通过检测相关病理机制中分子表达的动态变化,评估组织病理结构的进展程度,为疾病的预警和精准治疗提供重要依据和潜在靶点。
2 临床心血管影像技术侧重结构和功能评估
CVD 影像诊断技术包括有创的光学相干断层扫描、血管内超声、近红外光谱检测、冠状动脉造影等[15]和无创的超声检查[16]、计算机断层扫描(computed tomography,CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)、正电子发射断层扫描(positron emission tomography,PET)[17]、单光子发射计算机化断层显像 (single photon emission computed tomography,SPECT)[18]等。无创检查虽然创伤小,适用于筛查和早期诊断,但其空间分辨率相对较低,且难以在术中对病变部位进行准确干预的辅助指导。有创检查可实现对心血管解剖结构、血流动力学和心肌灌注情况的评估,能够提供较高的空间分辨率,但其侵入性特点,不适合作为疾病的早期诊断手段。不同心血管影像学技术的优势与不足,见表1。表1 临床常见心血管影像学技术特征
注:OCT,光学相干断层扫描;IVUS,血管内超声;NIRS,近红外光谱;CT,计算机断层扫描;MRI,磁共振成像;PET,正电子发射扫描;SPECT,单光子发射计算机断层显像
3 分子影像技术在心血管损伤中的应用
炎症反应、细胞死亡、纤维化等多种病理生理改变贯穿心血管损伤的不同阶段,时空变化因人而异,具有很大的异质性。分子影像可针对不同关键分子、采用多模态成像技术完成对不同时间维度下心血管病理损伤的动态评估。
3.1 针对心血管炎症的分子影像研究
炎症是CVD的早期表现,几乎参与了心血管损伤的所有阶段,早期检测对于疾病的诊断有着极大的价值[19]。炎症反应伴随着糖代谢增强,早期研究采用18F-氟代脱氧葡萄糖作为心肌炎症的常用PET/CT成像核素分子探针[20],随着分子标志物研究的进展,有研究开发了通过干扰素基因刺激因子靶向PET成像核素探针(18F-FBTA),通过检测心肌组织中巨噬细胞、树突状细胞和T细胞等免疫细胞中干扰素基因刺激因子的表达,特异性监测炎症变化[21]。还有研究设计出了68Ga-1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-1-萘丙氨酸-奥曲肽(68Ga-DOTATOC)探针,可通过特异性结合激活的免疫细胞的生长抑素受体2,可视化呈现心肌内早期炎症损伤[22]。单核细胞/巨噬细胞具有对全氟化合物摄取后迁移到炎症区域的特性,通过19F识别炎症,可应用MRI动态定量分析[23]。此外,通过超顺磁铁氧体纳米颗粒靶向炎症相关巨噬细胞,也可实现炎症的可视化,为动脉瘤诊断提供了新技术[24]。CT成像速度快、空间分辨率高,有研究构建Exitron nano 12000纳米探针,通过巨噬细胞在腹主动脉瘤因炎症对其的吞噬和积聚,实现CT信号增强,可鉴别出早期动脉瘤炎症活化区域[25]。超声造影在临床中便捷快速,安全性高,无辐射。近年有研究通过构建磷脂超声微泡,在外壳上结合P-选择素特异性配体MFG01035,靶向炎症内皮细胞上表达的P-选择素,用于检测炎症细胞的黏附和浸润[26]。细胞死亡产生的特异性变化可作为分子影像的分子靶点或激活蛋白来进行可视化成像。例如,可将核内组蛋白释放、损伤DNA片段及膜内外物质翻转等用于研发相应的分子探针,用于凋亡示踪或药物干预的在体评估,为疾病的治疗干预提供重要的定量分析技术。Houson等[27]开发18F标记的葡萄糖二酸核素探针,可在心肌梗死后心肌细胞死亡部位产生富集,进一步通过PET成像实现对死亡细胞的示踪。SPECT与PET相比价廉且使用便捷,Yamaki等[28]构建了靶向结合凋亡和坏死细胞中暴露的二硫键111In标记的谷胱甘肽氧化砷(111In-GSAO)核素探针,通过SPECT/CT可实现对心肌缺血再灌注损伤后细胞死亡的在体成像。细胞凋亡后,磷脂酰丝氨酸及磷脂乙醇胺会由膜内翻转至膜外[29],有研究提示99mTc标记的Duramycin探针可对磷脂乙醇胺特异性结合,通过SPECT/ CT成像能够定量分析急性心肌梗死中心肌细胞的凋亡和坏死动态变化[30]。钆螯合物结合DNA片段[31]或通过超顺磁铁氧体纳米颗粒与膜联蛋白V交联来增强凋亡区域的MRI T1或T2对比度,区分心肌细胞的凋亡与坏死[32]。此外,光学成像具有较高的灵敏度,采用聚集诱导发光的内质网靶向荧光探针(TPA-HI-SO2),用于检测和中和心肌梗死中的内源性二氧化硫,通过荧光信号的变化能够实时监测心肌梗死模型中二氧化硫水平的动态变化,并进一步展示其在心肌细胞中的抗氧化和抗凋亡作用[33]。van Thiel等[34]通过使用膜联蛋白V荧光探针靶向结合磷脂酰丝氨酸,实现对心肌凋亡的示踪,但由于光学的组织穿透性较差,且难以进行三维成像,临床应用仍有限制。3.3 针对心肌纤维化的分子影像研究
心肌纤维化是心肌组织在受到损伤后进行修复的一种病理反应,由于心肌为终末分化细胞,再生能力较差,损伤后其位置由纤维细胞和基质填充,无法产生心肌细胞相对应的功能,对心脏功能产生不可逆的影响,故早期评估纤维化程度是判断CVD预后的重要指标。Siebermair设计出了68Ga标记的成纤维细胞活化蛋白抑制剂(68Ga-FAPI)探针,靶向成纤维细胞活化蛋白,通过PET成像评估心肌纤维化活动[35]。目前在MRI中,可通过晚期钆对比剂增强识别心肌纤维化区域[36]。CT对比增强技术也可用于评估心肌纤维化相关的细胞外基质进展。随着对心肌纤维化新靶点的研究深入,通过靶向特定纤维化通路和细胞制备多功能分子探针,可为心肌纤维化的诊断、病程监测和治疗干预提供重要支持[37]。3.4 针对 AS 的分子影像研究
AS包含脂质池、炎症反应、血管新生等病理过程,利用分子探针对不同病理过程的示踪及干预,可减少心血管事件的风险。血管细胞黏附分子1(vascular cell adhesion protein 1,VCAM-1)是一种炎症因子,表达在炎症环境下的内皮细胞膜上,介导白细胞滚动黏附,在AS早期过程中发挥了重要的作用。Bridoux等[38]开发了18F标记靶向VCAM-1的纳米探针,实现对AS血管的PET检测。99mTc-RP805探针可通过结合基质金属蛋白酶的催化区域进行特异性SPECT成像[39]。Guo等[40]开发了一种以核转录因子κB小干扰RNA为载荷的三合一核酸纳米凝胶探针,利用DNA自组装技术整合了对比剂和VCAM-1靶向肽,可特异性结合炎性血管内皮细胞,通过MRI检查实现AS的分子成像并释放小干扰RNA以抑制核转录因子κB信号通路,减轻局部炎症反应,实现诊疗一体化。VCAM-1纳米抗体的超声微泡可用于进行造影增强超声分子成像以检测AS中的血管炎症。我们研究团队开发出一种包载七甲川花菁染料IR780及ATP结合盒转运蛋白A1上调激动剂的纳米探针,可靶向泡沫细胞的A类Ⅰ型清道夫受体,使胆固醇排出增加,实现缩小AS斑块中脂质池的体积及可视化[41]。为了加强临床的可适用性,采用具有良好生物相容性的基于人血清白蛋白纳米载荷粒子,发现通过OPN靶向肽结合到易损斑块(vulnerable atherosclerotic plaque,VASPs)中血管平滑肌细胞,抑制血管平滑肌细胞的表型转变触发抗AS效应[42]。研究靶向AS斑块内巨噬细胞表面的极化标志物,构建近红外二区成像探针,可精准示踪斑块内M1/M2型巨噬细胞,实现斑块内免疫微环境的动态观察[43],以上基础研究还有待于临床研究验证和转化。4 多模态分子影像和融合成像
分子影像单模态技术如PET、MRI、CT等具有高度特异性或高分辨率的优势,能够提示CVD病理分布。然而,单模态靶点及成像形式的单一,使其在病变早期诊断和进展产生局限性,因此多模态成像通过结合不同模态的优势,实现从结构、功能到分子水平的多维度评估,提高诊断效率。多模态分子影像结合不同技术优势,可从多维度评估和干预病变,克服了单一模态的局限性,已成为CVD诊疗中纳米探针开发的焦点。
我们团队在研究中发现,OPN在血管VASPs中表达升高,因此设计出靶向OPN的MRI/光学双模态探针,可在灵敏识别VASPs的同时,精准定位到相应位置并实现可视化[44]。结合光动力效应原理,可缩小VASPs体积,实现了诊疗一体化[45]。另有研究利用上转换稀土材料,通过开发靶向巨噬细胞表面的胶原样结构巨噬细胞受体,构建了光学纳米探针,实现了MRI/光学成像的双模态成像,在体精准灵敏地识别出VASPs[46]。在有创的影像学检查中,也有通过开发靶向整合素αvβ3的纳米探针,结合血管内超声和血管内光声成像,实现了在介入操作中对斑块结构信息、脂质核心成分及血管生成的实时三维成像,可更加准确地评估VASPs风险,解决了血管内超声对易损斑块中新生血管评估能力不足的临床问题[47]。在血栓形成的阶段,Wang等[48]开发了超声和荧光双模态的纳米微泡,利用cRGDfK多肽特异性识别新生血栓的靶点血小板膜糖蛋白Ⅱb/Ⅲa,实现对新生斑块的准确定位,为早期AS的治疗提供重要依据。光声成像也是目前多模态分子影像学的重点研究领域之一,通过特定波长光激发靶标分子后产生超声信号,结合光学吸收和声学信号的特点实现分子成像。 光声成像通过基于近红外吸收的纳米探针对谷胱甘肽/过氧化氢的响应,实现对炎症的成像,用于评估AS的早期进展[49]。此外,靶向血管内皮生长因子A的光声探针可有效定位血管生成区域并量化其动态变化。多模态探针的发展显著提高了疾病检测的敏感度和特异度,同时支持诊疗一体化[50],为精准诊疗和新型治疗策略开发提供了更广阔的前景。5 心血管分子影像技术面临的挑战
尽管心血管分子影像技术不断进展,但在临床应用中尚未大规模推广,仍面临多重挑战亟待解决。当前分子影像质量受到设备物理极限和噪声干扰的影响,提升分子影像质量一直是研究重点之一。随着人工智能和大数据技术的发展,通过深度学习可有望提升分子影像质量,提高疾病诊断效率,并为CVD新靶点的发现提供支持。探针设计中靶点的筛选仍是研究难点。计算机辅助靶点结构预测成为主流的方法之一,蛋白质预测模型AlphaFold 3和基因预测模型Evo-2等人工智能辅助工具将会加速科研人员对靶向探针的设计。目前,大量分子探针多停留在细胞及小动物实验阶段,向临床转化仍有距离。如何在探针制备和影像技术上做进一步改良,使其安全性和灵敏性得到提升和更适用于人体,均需要深入探索。未来借助人工智能,需要进一步完善分子探针相关人体安全性评价、药代动力学及药效学等研究,优化多模态成像分析,开发新型靶向分子探针,为临床提供充分科学证据,以满足临床需求。
6 小结和展望
分子影像技术通过心血管损伤分子标记物在CVD的早期诊断、病程监测及精准干预中发挥关键作用。多模态成像结合靶向分子探针,可显著提高心血管疾病检测的敏感度和特异度,同时支持诊疗一体化。然而,探针的制备和生物安全性及分子影像质量仍制约其临床转化。未来,借助人工智能优化影像分析,开发新型分子探针,并推动多模态成像技术的发展,以期在以CVD早筛、风险评估及干预治疗中发挥更大作用。
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来源:中国心血管杂志