分子成像公司是一家位于密歇根州安娜堡和加州圣地亚哥的合同研究组织（CRO），拥有大量医药行业的客户。该公司首席科学家Patrick McConville说，有时客户需要一种用于药物筛选的设备。更常见的，他们有一些初步的数据，但是需要设备帮其选择出合适的候选者来开展临床实验。
“也就是试图获取那些无法通过其他方式获得的信息。”他说。
那么，分子成像公司的科学家如何获得这样的信息呢？通过穿透问题的表皮。就是它的字面意义。
小型动物成像让研究人员可以对最终希望应用于临床的治疗方法和药物组分展开试验。它提供了一种检测病程进展和机制的方法，来持续跟踪多种疾病现象，它所应用的方法也通常适用于人类病患。
例如，假设一名科研人员想对帕金森病动物模型中的病程进展和治疗反应进行全面的了解，McConville说。一种方法是获得一组基因相同的患有帕金森病的动物，给它们使用候选治疗方法或使用安慰剂，在每个时间点取出几只进行解剖，并分析相应的脑部区域。当然，这需要大量的小鼠，但另一个问题是如何平均不同动物的反应时间。而这也很难用于人类患者之中。
一种替代途径是通过在活体动物中利用潜伏期影像来产生多维数据集。例如，使用[18F]标记的氟脱氧葡萄糖（FDG）正电子发射计算机断层扫描技术（PET），研究人员可以通过基于不同区域吸收放射性探针的速率来评估脑部的代谢活性。通过使用GE公司一种被称为DaTscan多巴胺转运蛋白结合的放射性示踪仪，利用单光子发射耦合层析（SPECT）成像法，他们可以精确定位出在帕金森病中受到影响的功能性多巴胺能神经元。随后他们可以将这些数据与使用计算机断层扫描数据的解剖特征进行匹配。不用通过麻醉使动物保持镇定不动，小鼠在这个实验中是不受影响的，这意味着可以在数日、数周或数月内进行重复成像。主要特点：动物更少、数据丰富和更好的决策。
“体内成像的妙处在于你不用去牺牲这些动物。”北卡罗来纳大学教堂山分校医学院生物医学研究成像中心（BRIC）小型动物成像设备主任袁弘（音）说，“你可以观察治疗引起的变化或者在一段时间内观察其他操作，与传统的免疫组化技术相比，这的确是一种十分强大的方法。”
BRIC中心为用户提供了多套成像模式的方案。包括9.4T的Bruker磁性共振成像仪，它很小巧但比同类临床仪器更加强悍；GE公司的eXplore Vista PET/CT双模块成像仪；GE公司的Xplore speCZT SPECT/CT系统；来源于VisualSonics 公司的Vevo 2100超声系统；以及三台独立的CT机——小型动物类似仪器，可以放置在任何（即使是资金实力非常雄厚的）医疗设施中。另外还提供四台光学成像仪，包括三台体内成像系统（IVIS）和一台荧光断层成像系统，均来自于PerkinElmer公司。
小型动物成像服务提供商BioLaurus公司的首席科学家Mario Bourdon说，总体来讲，成像策略可以归结为两类：解剖型和分子型。 解剖型成像仪包括X射线，CT（实际就是3D的X射线），核磁共振（用于软组织分析）和超声波（例如，可以用于血流、心脏活动和胎儿发育的成像）。分子型成像方法包括核医疗（PET和SPECT技术）和光学方法，都可以让研究人员在体内追踪特定分子物质的分度、定位和活性。
德克萨斯大学MD安德森癌症中心的小型动物成像设施在仪器室中有三台核磁共振扫描仪，而它们毫无疑问是“迄今最广泛使用的”实验室硬件设备，该设施主管、成像物理学教授John Hazle说。他说，在所有的因素中， MRI提供了“极佳的软组织成像并且能够对一些生理和代谢过程进行成像”，使得研究者能够判断，如肿瘤如何对治疗产生反应。
然而多数情况下，光学成像是最广泛使用的基础医学模式。“光学成像具有很多优势”，它可以同时记录荧光和生物发光信号，袁弘说。在光学成像的优点当中还有两点，它相对便宜而且通量较高，研究人员能够同时快速地成像多个动物，意味着更加方便对统计学上比较显著的群体规模进行成像。与之比较，进行软组织解剖的MRI扫描则每次只能做一个或少数的样本。“我们的MRI日以继夜地运转，但通量（与光学相比）还相对更低。” 斯坦福创新中心体内成像技术主任Christopher Contag说，该中心的光学成像模式得到最广泛的应用。“在光学系统上我们每天能做大概上百只小鼠，而在MRI 或PET上只能做一小部分。”
光学成像技术也更易于操作。“我们培训用户，他们能够快速进行图像采集和数据解读。”袁弘说。而其他的策略则必须由经过培训的专人来操作。
更优的光学成像
光学成像有两种形式：荧光和生物发光。在荧光成像中，荧光标记物（例如标记的抗体或者遗传编码的荧光蛋白）被引入或者在动物体内表达，并通过外部的光源来激活。生物发光涉及到对动物进行遗传修饰，能够产生发光蛋白如荧光素酶，并且仅仅在提供底物的情况下产生光。在这两种情况下，特定分子靶标的丰度和分布都要通过穿过表皮记录产生的光散射来测定。
但这其中存在一个问题。每个将手电筒放在手掌后的人都知道，光并不是直线地穿过生物组织，它会散射和被吸收。因此，（在荧光情况下）一定比例的激发光和（在荧光和生物发光情况下）发射光，不可避免地在光学成像中丢失，尽管对于近红外光并不完全相同，而且常常难以找出信号的准确位点。与之比较，PET 和 SPECT追踪器可以精确定位，它们都能发射出高能粒子，从而畅通无阻地穿过组织。因此，光学成像很少用于除了小鼠以外的动物身上，即便是小鼠也大多只用于表面性状如皮下肿瘤。然而，研究人员也正在努力做出改变。
一种产生了大量激活的方法是光声成像术（PAT）。位于密苏里州圣路易斯的华盛顿大学Gene K. Beare生物医学工程杰出教授汪立宏（音）在这项技术上处于领先地位，他表示尽管光学成像损失的分辨率超过1毫米，而超声能（则能）保留更深层的分辨率。PAT将两种策略有效整合，使用光去激活分子靶标，但去读出由靶标的发热和扩张引起的超声压力波。“这有点像是闪电和雷鸣。” 位于安大略省多伦多的FUJIFILM VisualSonics 公司产品创新部高级经理Andrew Needles解释道，该公司将这一技术进行商业化，“闪电引发周围的大气环境产生声波。”
从理论上来讲，汪立宏表示，PAT可以检测到任何分子，只要激光能够调至分子吸收的正确波长。他的实验室已经可以对任何东西进行成像，从核苷酸、碳水化合物、有机染料到水。Needles表示，其中一个常见的应用是测定血液氧合，功能性数据可以叠盖在传统的超声图像上，以展示出解剖的细节。目前，汪立宏的实验室已经获得了脑科学计划的经费支持，用于进行“小型动物体内全脑成像和成像动作电位。”
位于加州查茨沃斯的TriFoil成像公司已经开发了另一种光学技术。这项名为荧光散射计算机断层扫描法（FLECT）的技术于2014年9月发布，它与传统平面成像仪的关系就如同CT与X射线的关系。
激光的能量通过一个狭缝打向动物，同时在螺旋扫描仪中围绕着整个动物体进行旋转。得到的荧光散射将被安置在动物周围的拥有48个检测器的圆环所捕获，它能够通过360°的旋转来产生断层图像的数据集（与PET类似）。
的确，据TriFoil公司市场与商业发展部执行副总裁Staf Van Cauter说，FLECT“是核成像技术的一种非同位的替代”，并且研究人员可以用它来检测肿瘤和其他小于1毫米的标记，同时可以准确鉴定它们在机体的位置。
更触手可及的PET系统仍旧，由于光学策略在大多数情况下还不被容许在人体上使用，对于临床医学感兴趣的研究人员必须找寻其他分子成像的方法。一种流行的选项就是PET。
范德比尔特大学成像科学研究所主任John Gore解释说，PET以卓越灵敏度提供着分子信息。代价则是分辨率， MRI的成像能够达到100微米时，PET的三维像素还是毫米级的。
“PET的价值在于它的平移成像模式。”位于加州卡尔夫市的Sofie 公司总裁及首席执行官Patrick Phelps说，该公司主要研发PET成像系统和探针。能够用于小鼠的探针，在理论上也可以应用于人体。
然而PET探针并不易于使用。最广泛使用的FDG探针使用了氟-18标记（18F），半衰期为110分钟，意味着这个材料必须在数小时内通过合成交付给研究人员完成使用。另一种同位素——氧-15具有2分钟的半衰期，导致大多数应用都无法对其进行使用。
“PET探针的获取是一个巨大的障碍，” Phelps说。
其他同位素，例如锆-89（半衰期为78.4小时）和铜-64（12.7小时），为那些距离合成实验室很远的研究者打开了PET之门。如果实验室有自己的回旋加速器的话，他们也可以自己合成探针。然而这并不是一件微不足道的小事。
例如，BRIC中心就在2014年末装载了一台回旋加速器。据袁弘讲，仅硬件就耗费了几百万美元。而仪器设备的升级也是必须的。“我们购买的回旋加速器并不是自屏蔽的。”她解释道，因此该大学不得不在加速器下面安装了6英尺的混凝土结构块，并在周围打造了铅屏蔽墙。而房间的铅屏蔽门则重达11吨。她说，再加上具有放射化学能力的热室以及质量控制设备的花费，整个硬件费用竟达到了“大约2000万美元的规模”。
仍旧，除了同位素之外，PET的实际使用还有其他问题。由于半衰期很短，研究人员也需要一种方式将同位素在衰退前就挂载在目标分子上。位于马萨诸塞州剑桥的怀特黑德生物医学研究所的Hidde Ploegh已经开发了一种能够简化流程的方法，至少对于标记抗体片段来说。
使用18F标记的底物和分选酶，Ploegh的团队已经标记了包含一个分选酶识别序列的来源于骆驼的抗体片段，从而创制了一种免疫PET探针。他们随后用其观测体内移植肿瘤的骨髓细胞浸润。该方法提供了一种跟踪肿瘤的方法，而无须事先知道它们在哪， Ploegh解释说，只要跟着巨噬细胞就好。“这就像是如果你在狩猎，你想知道狮子在哪里睡觉，只要跟紧另一辆路虎车。”
全新模式
除了现有的丰富成像工具外，多个领域都在继续他们的研发探索。
例如，Magnetic Insight公司正研发一种称为“磁性粒子成像（MPI，也得到Bruker公司的商业化）的方法。”据该公司首席技术官Patrick Goodwill说，MPI提供了分子对比，就像PET和光学成像一样，不过采用的是磁力。“这也是核医学，但是采用了氧化铁的纳米粒子。”
例如，研究人员能够在间充质干细胞上加载覆盖了抗体的纳米粒子，随后在体内追踪它们，Goodwill说，能够在任意的深度下仅检测200个细胞。“我们使用的是20千赫兹的低频磁力场，刚好能够穿过任何物质。如果我们有鲸鱼那么大的MPI扫描仪，就能穿透整个鲸鱼。”
Contag和他在斯坦福的同事Sam Gambhir一道，正在研究在体内捕获拉曼光谱指纹的方式。在最近的一篇文章中，他的团队描绘了一种分子内窥镜，理论上能够实时评估结肠息肉的分子状态，而不用请组织毒理学家进行活细胞检测。该技术依赖于一种表面增强的拉曼光谱纳米粒子，能够大幅增强分子通常产生的拉曼信号。“你可以将这些拉曼光谱纳米粒子喷在（肠）表面上，当你撤走内窥镜时，它能够扫描并寻找那些粒子粘连的部位。”他解释道。
为了获得更好的代谢活性成像，Hazle的实验室开始使用新的MRI造影剂进行实验，有效地将MRI和分子成像进行混合，使用“超极化的”碳-13标记的MRI。Hazle解释道，分子成像能够告诉研究者探针的位置，但是并不能知晓化学结构。然而碳-13标记的丙酮酸盐在转化为乳酸盐时能够产生不同的信号，这种转变在癌组织中速率不同。“因此你不光知道肿瘤吸收了那个糖分，而且也知道它进行的是有氧代谢还是无氧代谢。”他说。
无论这些技术在基础医学核心设施或者临床研究的命运如何，多数研究者也同意，现有的策略也会依然存在。汪立宏说，不同的成像方法采用了不同的对比机制，因此能够进行互补。“这也是为什么你不想说一种技术将取代其他技术。”汪立宏说，“我发现这在医学成像的世界中从未真正发生过。”■
（译者之一高大海系中国科学院海洋研究所助理研究员）