Молекулярная визуализация — это новая дисциплина, объединяющая технологии медицинской визуализации с молекулярной биологией, химией, физикой, радиологией, ядерной медициной и информатикой. Впервые было введено понятие молекулярной визуализации (МИ), т.е. применение методов визуализации для качественного и количественного изучения биологических процессов на клеточном и молекулярном уровнях в живых организмах. В основном в качестве источника контраста для визуализации используются специфические молекулы in vivo, а также некоторые существующие методы медицинской визуализации для получения изображений внутренних физиологических или патологических процессов человеческого организма на молекулярном уровне неинвазивным способом в режиме реального времени. Она объединяет генетическую информацию, биохимию и новые зонды для визуализации, которые обнаруживаются с помощью сложных методов визуализации, а затем с помощью ряда методов постобработки изображений достигает цели отображения биологических процессов на молекулярном и клеточном уровнях в живых тканях. Значение В диагностике, путем визуализации ключевых маркерных молекул в процессе опухолеобразования, можно непосредственно наблюдать в естественных условиях ряд патофизиологических изменений и характеристик заболевания, таких как причина, возникновение и развитие заболевания, а не просто показывать анатомические изменения в конце заболевания. Что касается разработки лекарств, то, разработав специальные зонды, мы можем непосредственно отображать молекулярные изменения терапевтических мишеней лекарств in vivo, а создав систему анализа высокоэнергетических изображений, мы можем значительно ускорить скрининг и разработку лекарств. Кроме того, мы можем наблюдать за эффективностью экспрессии целевого гена in vivo и непосредственно оценивать эффективность. Основные области применения — онкология, сердечно-сосудистые заболевания и неврология. Принцип визуализации Молекулярная визуализация объединяет молекулярную биохимию, обработку данных, нанотехнологии, обработку изображений и другие технологии, и в будущем действительно может предоставить качественную, локализованную и количественную информацию для клинической диагностики благодаря высокой специфичности, высокой чувствительности и высокому разрешению изображений. Таким образом, становится ясно, что молекулярная визуализация — это уже не одно технологическое изменение, а интеграция различных технологий. Существуют три ключевых элемента технологии молекулярной визуализации: первый — высокоспецифичный молекулярный зонд, второй — подходящая технология усиления сигнала, третий — система обнаружения, которая может чувствительно получать изображения высокого разрешения. Она объединяет генетическую информацию, биохимию и новые зонды для визуализации в человеческом теле, которые используются для маркировки исследуемой «мишени» (другой молекулы), и посредством технологии молекулярной визуализации «мишень» усиливается и обнаруживается сложной технологией визуализации, а затем посредством серии методов постобработки изображений «мишень» усиливается и обнаруживается. Серия методов постобработки изображений используется для отображения биологических процессов на молекулярном и клеточном уровнях в живых тканях для субклинической диагностики и лечения заболеваний. Технические трудности Наиболее часто используемыми методами молекулярной визуализации являются методы визуализации ядерной медицины, особенно ПЭТ-исследования молекулярной визуализации являются наиболее динамичными. Кроме того, широко используются МР-томография и МР-спектроскопия (МРС), оптическая визуализация и инфракрасная оптическая томография, и каждый из этих методов визуализации имеет свои преимущества и недостатки. Что касается только генной терапии, то здесь существует множество вопросов, на которые нет ответов: Является ли перенос или трансфекция генов успешной? Распространяется ли трансдуцированный или трансфецированный ген в орган или ткань-мишень, и является ли его распространение оптимальным? Достаточна ли экспрессия трансгена в органе-мишени или ткани-мишени для получения терапевтического эффекта? Локализуются ли трансдуцированные или трансфицированные гены в других органах или тканях на достаточно высоком уровне, чтобы вызвать непредвиденные токсические реакции? Каково оптимальное время экспрессии трансгена при действии в комбинации с препаратом-предшественником и оптимальное время для начала лечения препаратом-предшественником? Как долго экспрессия трансгена может сохраняться в целевой ткани или органе? Междисциплинарное сотрудничество Также потому, что различные методы визуализации имеют свои преимущества и недостатки и различные трудности, поэтому часто требуется междисциплинарное и многостороннее пересечение и сотрудничество, что требует как от наук о жизни постановки насущных проблем на молекулярном уровне, так и от физики, химии, биоматериалов, информатики и других дисциплин разработки теорий и технологий, адаптированных к исследованиям молекулярной визуализации и применяемых в данной области. В то же время, необходимо сочетать их с современными передовыми технологиями в области нанонауки. Однако отсутствие междисциплинарного сотрудничества стало узким местом, препятствующим развитию молекулярной визуализации, особенно отсутствие связи и сотрудничества со смежными дисциплинами, такими как биология, химия, физика, инженерия и информатика. Например, разработка и подготовка молекулярных зондов, а также определение характеристик и анализ требуют тесного сотрудничества с соответствующими специалистами в области биоинженерии и биохимии. Поэтому междисциплинарные эксперты должны сначала сесть вместе и поискать мишени, представляющие общий интерес, которые имеют клиническое значение, а также уже существующую основу; общие интересы, например, МРТ, КТ, ПЭТ, УЗИ; и сосредоточиться на определенных аспектах, например, антителах. Во-вторых, для повышения эффективности совместных исследований должна быть сформирована фиксированная исследовательская группа, с четким распределением обязанностей и четкими временными рамками. Второе — это финансовые гарантии. И соответствующая направленность совместно публикуемых статей и т.д. Требуется ли для всего вышеперечисленного письменное соглашение? Разобравшись с этим, можно лучше двигаться вперед, иначе это неэффективно. Ключевой вопрос в молекулярной визуализации — как объективно оценить эффекты доставки и экспрессии, особенно в естественных условиях (животное или человек) для оценки. Существующие методы демонстрации экспрессии генов делятся на две основные категории: инвазивные, а также неинвазивные или менее инвазивные. Если необходимо визуализировать специфические молекулы или (и) гены in vivo, должны быть выполнены четыре необходимые предпосылки: высокоаффинный зонд, который имеет разумное фармакокинетическое поведение in vivo; эти зонды могут проникать через биологические метаболические барьеры, такие как кровеносные сосуды, мезенхимальная ткань, клеточные мембраны и т.д.; химические или биологические методы усиления сигнала; и чувствительные, быстрые, высокоразрешающие методы визуализации. Перспективы На сегодняшний день развитие медицины визуализации постепенно сформировало 3 основных лагеря: классическая медицинская визуализация: в основном рентген, КТ, МРТ, ультразвуковая визуализация и т.д., показывающие анатомические структуры и физиологические функции человека; интервенционная радиология как основной терапевтический лагерь; молекулярная визуализация: в основном МРТ, ПЭТ, оптическая визуализация и оборудование для визуализации мелких животных и т.д., которые могут быть использованы для визуализации на молекулярном уровне. Эти три направления тесно связаны друг с другом, дополняют и сотрудничают друг с другом, полагаясь на интервенционную радиологию, чтобы позволить целевому гену более точно достичь целевого участка, и через оборудование молекулярной визуализации, чтобы непосредственно отобразить терапевтический эффект и экспрессию генов. Молекулярная визуализация внесла свой вклад в развитие медицины визуализации и тесно связана с традиционной медицинской визуализацией. Так, несколько производителей медицинского оборудования разработали продукты, такие как Biograph 16 TruePoint (позитронно-эмиссионная и компьютерная томография) компании Siemens, системы синтезированной визуализации и передовое прикладное программное обеспечение, которые позволяют исследователям идентифицировать конкретные биологические процессы, контролировать эффективность соединений и измерять развитие болезни в режиме реального времени, облегчая фундаментальные исследования и разработку лекарственных препаратов. Создание условий для перехода от изучения традиционной анатомии и физиологических функций к визуализации на молекулярном уровне для изучения изменений в болезни на молекулярном уровне окажет глубокое влияние на формирование новых медицинских моделей и здоровье человека. Концепции молекулярной визуализации Молекулярная визуализация в сравнении с традиционной визуализацией С момента изобретения рентгена развитие технологии медицинской визуализации прошло примерно три этапа: структурная визуализация, функциональная визуализация и молекулярная визуализация. Появление технологий медицинской визуализации (включая структурную и функциональную визуализацию) и современных устройств медицинской визуализации (например, компьютерная томография КТ, магнитно-резонансная томография МРТ, компьютерная рентгеновская томография ПЭТ, ультразвук) произвело революцию в традиционной медицинской диагностике. Однако с завершением секвенирования генома человека и наступлением постгеномной эры возникла настоятельная необходимость изучить механизм развития заболеваний (особенно злокачественных) на клеточном, молекулярном и генетическом уровнях, а также отслеживать развитие поражений до появления клинических симптомов, чтобы добиться раннего предупреждения и лечения заболеваний и повысить эффективность лечения болезней. Поэтому в 1999 году Вайследер и др. из Гарвардского университета ввели понятие молекулярной визуализации: применение методов визуализации для качественного и количественного изучения биологических процессов на клеточном и молекулярном уровнях в живом организме. Это метод медицинской визуализации, который использует специфические молекулы in vivo в качестве контраста для визуализации и может непосредственно отображать физиологические и патологические процессы на клеточном или молекулярном уровне посредством изображений в реальных, неповрежденных телах человека или животных. Она позволяет соединить молекулярную биологию и клиническую медицину и была названа Американской медицинской ассоциацией одним из десяти наиболее перспективных направлений медицинской науки будущего, медицинской визуализацией 21 века. Преимущества молекулярной визуализации можно свести к трем пунктам: во-первых, технология молекулярной визуализации может превратить сложные процессы, такие как экспрессия генов и биологическая сигнализация, в визуальные образы, позволяя лучше понять механизмы и характеристики заболевания на молекулярно-клеточном уровне; во-вторых, она может обнаружить молекулярно-клеточные изменения и процессы патологических изменений на ранних стадиях заболевания; в-третьих, она может непрерывно наблюдать механизм и В-третьих, механизм и эффект лекарственной или генной терапии можно непрерывно наблюдать in vivo. Обычно существует два метода обнаружения молекулярных клеток человека: ex vivo и in vivo, и преимущество технологии молекулярной визуализации как метода обнаружения in vivo заключается в том, что она может получать трехмерные изображения молекулярных клеток человека непрерывно, быстро, на большом расстоянии и без повреждений. Она может выявить ранние молекулярно-биологические характеристики поражений, способствовать ранней диагностике и лечению заболеваний, а также ввести новые концепции клинической диагностики.