Войти
Молекулярная визуализация - это область медицинской визуализации, которая фокусируется на визуализации молекул, представляющих медицинский интерес, у живых пациентов. Это контрастирует с обычными методами получения молекулярной информации из образцов консервированных тканей, такими как гистология. Представляющие интерес молекулы могут быть либо молекулами, вырабатываемыми организмом естественным путем, либо синтетическими молекулами, произведенными в лаборатории и введенными пациенту врачом. Наиболее распространенным примером молекулярной визуализации, используемой сегодня в клинической практике, является введение контрастного вещества (например, микропузырька, иона металла или радиоактивного изотопа) в кровоток пациента и использование метода визуализации (например, ультразвук, МРТ, КТ, ПЭТ ). отслеживать его движение в теле. Молекулярная визуализация возникла в области радиологии из-за необходимости лучше понять фундаментальные молекулярные процессы внутри организмов неинвазивным способом.
Конечная цель молекулярной визуализации - иметь возможность неинвазивно отслеживать все биохимические процессы, происходящие внутри организма в режиме реального времени. Текущие исследования в области молекулярной визуализации включают клеточную / молекулярную биологию, химию и медицинскую физику и сосредоточены на: 1) разработке методов визуализации для обнаружения ранее необнаруживаемых типов молекул, 2) расширении количества и типов доступных контрастных агентов и 3) разработка функциональных контрастных агентов, которые предоставляют информацию о различных действиях, которые клетки и ткани выполняют как в отношении здоровья, так и болезни.
Молекулярная визуализация возникла в середине двадцатого века как дисциплина на пересечении молекулярной биологии и визуализации in vivo. Это позволяет визуализировать клеточные функции и отслеживать молекулярные процессы в живых организмах, не беспокоя их. Многочисленные и многочисленные возможности этой области применимы для диагностики таких заболеваний, как рак, а также неврологических и сердечно-сосудистых заболеваний. Этот метод также способствует улучшению лечения этих расстройств за счет оптимизации доклинических и клинических испытаний новых лекарств. Ожидается, что они также окажут серьезное влияние на экономику благодаря более ранней и более точной диагностике. Молекулярная и функциональная визуализация приобрела новое направление с момента описания генома человека. Новые направления в фундаментальных исследованиях, а также в прикладных и промышленных исследованиях усложняют задачу ученых и повышают требования к ним. Следовательно, уместна индивидуальная программа обучения.
Молекулярная визуализация отличается от традиционной визуализации тем, что для визуализации конкретных целей или путей используются зонды, известные как биомаркеры. Биомаркеры химически взаимодействуют с окружающей средой и, в свою очередь, изменяют изображение в соответствии с молекулярными изменениями, происходящими в интересующей области. Этот процесс заметно отличается от предыдущих методов построения изображений, которые в первую очередь отображали различия в качествах, таких как плотность или содержание воды. Эта способность отображать мелкие молекулярные изменения открывает невероятное количество захватывающих возможностей для медицинского применения, включая раннее обнаружение и лечение заболеваний и базовые фармацевтические разработки. Кроме того, молекулярная визуализация позволяет проводить количественные тесты, что придает большую степень объективности изучению этих областей. Одной из новых технологий является молекулярная визуализация MALDI, основанная на масс-спектрометрии.
Многие области исследований ведутся в области молекулярной визуализации. В настоящее время большое количество исследований сосредоточено на выявлении так называемого предзаболевания или молекулярных состояний, которые возникают до того, как будут обнаружены типичные симптомы заболевания. Другими важными направлениями исследований являются визуализация экспрессии генов и разработка новых биомаркеров. Такие организации, как SNMMI Центр молекулярной визуализации инноваций и перевод (CMIIT) сформировали для поддержки исследований в этой области. В Европе другие «сети передового опыта», такие как DiMI (Диагностика в молекулярной визуализации) или EMIL (Европейские лаборатории молекулярной визуализации) работают над этой новой наукой, объединяя деятельность и исследования в этой области. Таким образом, создается европейская магистерская программа «EMMI» для обучения нового поколения профессионалов в области молекулярной визуализации.
В последнее время термин молекулярная визуализация был применен к различным методам микроскопии и наноскопии, включая микроскопию живых клеток, флуоресцентную микроскопию полного внутреннего отражения (TIRF), наноскопию с моделированным истощением выбросов (STED) и атомно- силовую микроскопию (AFM), как здесь изображения молекул являются отсчетом.
Существует множество различных методов, которые можно использовать для неинвазивной молекулярной визуализации. У каждого есть свои сильные и слабые стороны, и некоторые из них более искусны в визуализации нескольких целей, чем другие.
Молекулярная МРТ головного мозга мыши с острым воспалением в правом полушарии. В то время как неулучшенная МРТ не смогла выявить никакой разницы между правым и левым полушариями, введение контрастного вещества, нацеленного на воспаленные сосуды, позволяет выявить воспаление именно в правом полушарии. Основная статья: Магнитно-резонансная томография МРТ имеет преимущества очень высокого пространственного разрешения и очень хорошо подходит для морфологической и функциональной визуализации. Однако у МРТ есть несколько недостатков. Во- первых, МРТ имеет чувствительность около 10 -3 моль / л до 10 -5 моль / л, который, по сравнению с другими типами изображений, может быть очень ограничивающим. Эта проблема возникает из-за того, что разница между атомами в состоянии с высокой энергией и в состоянии с низкой энергией очень мала. Например, при 1,5 Тесла, типичной напряженности поля для клинической МРТ, разница между состояниями с высокой и низкой энергией составляет примерно 9 молекул на 2 миллиона. Улучшения для повышения чувствительности МР включают увеличение напряженности магнитного поля и гиперполяризацию за счет оптической накачки, динамической ядерной поляризации или поляризации, индуцированной параводородом. Также существует множество схем усиления сигнала, основанных на химическом обмене, которые увеличивают чувствительность.
Чтобы получить молекулярную визуализацию биомаркеров болезни с помощью МРТ, требуются целевые контрастные вещества для МРТ с высокой специфичностью и высокой релаксацией (чувствительностью). На сегодняшний день множество исследований было посвящено разработке контрастных агентов для таргетной МРТ для достижения молекулярной визуализации с помощью МРТ. Обычно для достижения нацеливания применяют пептиды, антитела или небольшие лиганды и небольшие белковые домены, такие как аффитела HER-2. Для повышения чувствительности контрастных агентов эти нацеленные части обычно связывают с контрастными агентами для МРТ с высокой полезной нагрузкой или контрастными агентами для МРТ с высокой релаксацией. В частности, недавняя разработка микронных частиц оксида железа (MPIO) позволила достичь беспрецедентного уровня чувствительности для обнаружения белков, экспрессируемых артериями и венами.
Визуализация сконструированной кишечной палочки E. coli Nissle 1917 в кишечнике мыши Для получения оптических изображений используется ряд подходов. Различные методы зависят от флуоресценции, биолюминесценции, поглощения или отражения как источника контраста.
Наиболее ценным атрибутом оптической визуализации является то, что она и ультразвук не вызывают серьезных проблем с безопасностью, как другие методы медицинской визуализации.
Обратной стороной оптического изображения является отсутствие глубины проникновения, особенно при работе в видимом диапазоне длин волн. Глубина проникновения связана с поглощением и рассеянием света, которое в первую очередь зависит от длины волны источника возбуждения. Свет поглощается эндогенными хромофорами, обнаруженными в живой ткани (например, гемоглобином, меланином и липидами). Как правило, поглощение и рассеяние света уменьшается с увеличением длины волны. Ниже ~ 700 нм (например, длина волны видимого диапазона) эти эффекты приводят к небольшой глубине проникновения, составляющей всего несколько миллиметров. Таким образом, в видимой области спектра возможна только поверхностная оценка свойств тканей. При длине волны более 900 нм водопоглощение может влиять на соотношение сигнал / фон. Поскольку коэффициент поглощения тканью значительно ниже в ближнем инфракрасном (NIR) диапазоне (700-900 нм), свет может проникать более глубоко, на глубину до нескольких сантиметров.
Флуоресцентные зонды и метки - важный инструмент для получения оптических изображений. Некоторые исследователи применили NIR-визуализацию на крысиной модели острого инфаркта миокарда (AMI), используя пептидный зонд, который может связываться с апоптотическими и некротическими клетками. Ряд флуорофоров ближнего инфракрасного диапазона (NIR) был использован для визуализации in vivo, включая красители и конъюгаты Kodak X-SIGHT, Pz 247, DyLight 750 и 800 Fluors, Cy 5.5 и 7 Fluors, красители Alexa Fluor 680 и 750, IRDye. 680 и 800CW Fluors. Квантовые точки с их фотостабильностью и ярким излучением вызвали большой интерес; однако их размер препятствует эффективному удалению из системы кровообращения и почек, проявляя при этом долгосрочную токсичность.
Несколько исследований продемонстрировали использование инфракрасных меченых красителем зондов в оптической визуализации.
Важно отметить, что добавление NIR-зонда к любому вектору может изменить биосовместимость и биораспределение вектора. Следовательно, нельзя однозначно предположить, что сопряженный вектор будет вести себя аналогично исходной форме.
ОФЭКТ-изображение (измеритель костей) МИП мыши Развитие компьютерной томографии в 1970-х годах позволило составить карту распределения радиоизотопов в органе или ткани и привело к технологии, которая теперь называется однофотонной эмиссионной компьютерной томографией (ОФЭКТ).
Агент визуализации, используемый в ОФЭКТ, излучает гамма-лучи, в отличие от излучателей позитронов (таких как 18 F) используется в ПЭТ. Есть ряд радиоиндикаторов (например, 99 м Tc, 111 В, 123 Я, 201 Tl ), которые можно использовать в зависимости от конкретного приложения.
Ксенон (133 Xe) газ - один из таких радиоактивных индикаторов. Было показано, что это полезно для диагностических ингаляционных исследований для оценки легочной функции; для визуализации легких; а также может использоваться для оценки rCBF. Обнаружение этого газа происходит с помощью гамма-камеры - сцинтилляционного детектора, состоящего из коллиматора, кристалла NaI и набора фотоумножителей.
Вращая гамма-камеру вокруг пациента, можно получить трехмерное изображение распределения радиоактивного индикатора с использованием фильтрованной обратной проекции или других томографических методов. Радиоизотопы, используемые в ОФЭКТ, имеют относительно длительный период полураспада (от нескольких часов до нескольких дней), что делает их легкими в производстве и относительно дешевыми. Это представляет собой главное преимущество 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 при этой миллисекунде или той миллисекунде) разрешении. Кроме того, из-за радиоактивности контрастного вещества существуют аспекты безопасности, касающиеся введения радиоизотопов субъекту, особенно для серийных исследований.
Воспроизвести медиа Воспаление суставов визуализации у мышей с артритом с помощью позитронно-эмиссионной томографии. 
ПЭТ, МРТ и наложенные изображения человеческого мозга. Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) - это метод визуализации в ядерной медицине, позволяющий получить трехмерное изображение или картину функциональных процессов в организме. Теория, лежащая в основе ПЭТ, достаточно проста. Сначала молекула маркируется изотопом, излучающим позитроны. Эти позитроны аннигилируют с соседними электронами, испуская два фотона с энергией 511 кэВ, направленные на 180 градусов в противоположных направлениях. Затем эти фотоны обнаруживаются сканером, который может оценить плотность аннигиляции позитронов в определенной области. Когда произошло достаточное количество взаимодействий и аннигиляций, плотность исходной молекулы может быть измерена в этой области. Типичные изотопы включают11 C,13 N,15 О,18 F,64 Cu,62 Cu,124 Я,76 Br,82 Rb,89 Zr и68 Га, с18 F является наиболее используемым в клинической практике. Одним из основных недостатков ПЭТ является то, что большинство датчиков должно быть выполнено на циклотроне. У большинства этих зондов также есть период полураспада, измеряемый часами, что заставляет циклотрон находиться на месте. Эти факторы могут сделать ПЭТ слишком дорогим. Тем не менее, у ПЭТ-изображений есть много преимуществ. Прежде всего, это чувствительность: обычный ПЭТ-сканер может обнаруживать концентрации от 10 -11 моль / л до 10 -12 моль / л.
