分子影像学是医学影像技术和分子生物学、化学、物理学、放射医学、核医学以及计算机科学相结合的一门新的学科，由Weissleder^[1]教授于1999年首先提出，即应用影像学的方法对活体状态下的生物过程进行细胞和分子水平的定性和定量研究。它主要是以体内特定分子为成像对比度源，利用现有的一些医学影像技术对人体内部生理或病理过程在分子水平上进行无损伤、实时的成像，并且将遗传基因信息、生物化学与新的成像探针进行综合，由精密的成像技术来检测，再通过一系列的图像后处理技术，达到在分子和细胞水平上显示活体组织的生物学过程的目的。医学成像模式总体可以划分为两大类：一种是解剖成像，即产生形态学图像，包括X射线成像、CT、MRI、超声成像（ultrasonic imaging, US）以及各类内镜成像（如腹腔镜、喉镜、电子胃镜等）等，它以高分辨率提供了组织器官的解剖形态信息；另一种是功能成像，包括PET、SPECT、功能MRI等，它可以提供组织器官的代谢信息^[2]。表 1列出了几种不同的分子影像技术的基本信息及其优缺点^[3]。通过这些成像技术，可以活体检测特定分子的活动（如蛋白酶和水解酶的活动）、生物学过程（如细胞凋亡、受体活动、抗原修饰、报告基因表达、血管生成、肿瘤转移）、肿瘤的诊治（如早期诊断、检测、个体化治疗以及抗癌药物的筛选研发）等^[4]。

每一种成像或显像技术有其各自的成像原理、配套的不同结构和特性的检测探针，因此决定了它们对体内病灶组织具有不同的检测响应性和药效性。单一成像技术很难获取足够的病灶部位的信息，且每种成像结果相互独立，很难进行数据对比分析，在实验研究或者临床应用方面都受到了极大的限制。

双模态分子影像技术的出现和发展为解决上述问题提供了可能，它通过将两种不同的分子影像探针“合二为一”，使其能同时用两种分子影像技术进行检测，不仅克服了单一分子影像技术的固有局限性，而且使不同分子影像技术的优势得到互补，更重要的是大大拓宽了分子影像技术的研究范围与应用前景^[5-6]。理想的双模态分子探针除具有普通检测探针所要求的良好成像检测性能、高病变组织特异性、良好的生物相容性等特性之外，还需要注意以下两点：第一，合成过程对两种探针的性能不产生影响，两种探针之间互不干扰，因此在合成过程中对含有发光基团的探针不能通过发光基团进行共价连接。第二，不同探针的检测效率和检测灵敏度不同，双模态探针中两种探针之间的比例往往并不是1:1，为了在两种检测方式下均能获得理想的成像图像，两种探针需要具有特定的比例。

未来双模态分子探针发展的一个重要方向是“治疗诊断学”的发展，即分子探针在对病灶或目标部位进行显像的同时，还能作为药物对疾病进行治疗。因为一般探针分子在体内的分布位点与治疗药物的分布位点要求是一致的，如果能够成功地将探针分子的显像部位与治疗药物相结合，形成一个全新的治疗诊断探针，将具有巨大的临床应用前景。此外，合成新型可控的分子探针也将是另一个研究热点。

与传统分子探针相比，纳米分子探针将具有不同成像功能的探针集成在一个纳米载体上，具有信号强度大、靶向效果好、代谢动力学可控等显著优点。dendrimer^[7-10]是纳米材料的一种，它从多官能团内核出发，通过支化单元逐步重复生长，形成具有高度支化结构的树枝状三维大分子。其合成方法包括发散法和收敛法，结构特点如下：①中心有核，内部有空腔，表面均匀分布可修饰的官能团；②体积、形状、功能基团以及相对分子质量都可以在分子水平精确控制；③高度支化，具有规整、精致的完美结构，高代数呈球形，纳米级尺寸；④具有良好的溶解性，较低的黏度。dendrimer在生物医学、光学、纳米材料等方面具有广泛的应用。聚酰胺-胺（polyamidoamine，PAMAM）^[11-13]是目前研究最广泛、最深入的dendrimer之一，以乙二胺和丙烯酸甲酯为原料通过发散法合成，粒径范围为1.5~8 nm。目前许多文献报道用双功能团的聚乙二醇（polyethlene glycol，PEG）修饰PAMAM，可以使PAMAM外层形成亲水性的PEG分子膜，从而逃过网状内皮系统的捕获，提高材料的稳定性，增加溶解度，改变体内分布，产生器官靶向性，同时也可降低肝脏对材料的吸收。该聚合物容易共价结合多种分子，在双模态分子成像方面有着广泛的应用前景和开发潜力。

OI技术可以利用生物自身发光、荧光蛋白或荧光燃料在分子和细胞层面上对在体的特定生物学过程进行定性和定量研究, 其具有相对较高的灵敏度、无辐射、显像过程简便快捷等优点, 但其分辨力低、穿透力弱, 目前以基础研究为主, 若要应用于临床还需进一步地探索和改进^[14]。MRI技术是将特异性分子探针与靶分子或细胞结合, 通过敏感、快速、高分辨率的成像序列, 特异性地标识出靶结构, 以达到对病灶的定性和定量诊断, 其具有软组织分辨力高、成像参数多、图像信息量大、无电离损害等优点, 目前已在临床上广泛应用, 但其成像时间较长、非实时显像、靶向特异性差、灵敏度低等缺点在很大程度上又限制了其在临床上的应用。两者如果结合起来, 能够评价肿瘤形态、微环境变化以及血管功能, 为临床肿瘤的诊断与治疗提供重要依据。Boswell等^[15]设计合成了Arg-Gly-Asp环肽修饰的靶向整合素αvβ3的PAMAM, 再添加OI的荧光染料Alexa Fluor 594、MRI对比剂Gd (Ⅲ)螯合物, 形成荧光/MRI双模态探针, 其辐射化学产率为33%(1.85×10⁵ Bq/μg); 荧光显微镜结果显示, 该聚合物能选择性地结合表达αvβ3的细胞, 螯合Gd (Ⅲ)的对比剂在注射2 h后的体内分布实验表明, 探针主要在M21黑色素瘤小鼠的肾和网状内皮细胞中积累, 肿瘤/血的每克注射剂量的百分率为(3.30±0.03)%。Chen等^[16]设计合成了具有叶酸受体(folate-receptor, FR)肿瘤靶向性的PEG修饰的dendrimer探针, 共价结合Gd (Ⅲ)和DTPA生成PEG-G₃-(Gd-DTPA)₁₁-(folate)₅聚合物。用绿色荧光标记的该聚合物孵育KB细胞(一种人口腔上皮癌细胞, FR高表达)、FR siRNA敲除的KB细胞以及FR阴性的HT-1080细胞(一种人类纤维肉瘤细胞), 实验表明该探针仅在KB细胞中找到, 说明该聚合物具有肿瘤特异性。在负载KB细胞和FR阴性的HT-1080细胞肿瘤小鼠模型体内实验中, 动态对比剂增强的MRI探针注射30 min时, KB细胞的洗出率为-4%±18%, FR阴性的HT-1080细胞的洗出率为-39%±23%。17%截止点的灵敏度为94.4%, 特异度为93.8%。体内外实验都表明, PEG-G₃-(Gd-DTPA)₁₁-(folate)₅具有肿瘤靶向性, 注射30 min的洗出百分比以及17%截止点对于FR阳性肿瘤的诊断是一个很有用的参数。Ali等^[17]将MRI对比剂Eu-1, 4, 7, 10-tetraazacclododecane-1, 4, 7, 10-tetraacetic acid-Gly4和荧光剂DyLight^® 680共轭结合到第5代PAMAM上, 得到双模态纳米级对比剂, 研究表明该对比剂能通过不同角度检测胶质瘤的成像情况。

另外，Kosaka等^[18]利用OI/MRI成像方法研究了动物模型中MDA-MB468细胞（一种人乳腺癌细胞）在淋巴系统中的宏观和早期的微转移。他们设计了以第6代的PAMAM-Gd为基础的MRI对比剂（Gd-G6），同时用超顺磁氧化铁颗粒和量子点双标记MDA-MB468细胞，将一百万个双标的细胞注射到小鼠的爪子部位，24 h后采集皮下注射Gd-G6前后的图像。MRI实验结果清楚显示标记的癌细胞从爪垫通过引流淋巴管转移到腋窝淋巴结；体内荧光成像也证实淋巴结处有微小癌细胞簇。利用OI/MRI成像，可以形象描述体内癌细胞在淋巴系统内的早期微转移。

近年来，小动物SPECT/CT成像系统已经成功应用于基础研究和转化医学上。SPECT联合CT组成SPECT/CT系统可提供病灶解剖信息。与其他成像系统相比，SPECT/CT成像主要有以下优点：①在活体生物体内研究并可融合定量分析、靶向性评价、高灵敏度和非侵入性等特点，可在接近生理或病理状态下得到较全面的数据，从而使显像结果更接近于实际情况；②可选择的放射性核素范围广泛、易获得且标记方法简便；③可同时对多种放射性核素成像，因此可同时研究多种分子机制或生物过程；④γ射线对组织的穿透能力比较强，基本不受组织深度的影响；⑤与小动物PET和MRI成像系统相比，SPECT/CT系统造价低，仪器体积小，结构紧凑。SPECT/CT成像的缺点是空间分辨率（一般＞1 mm）低于MRI^[19]。

Criscione等^[20]选择2，3，5-三碘苯甲酸（2，3，5-triiodobenzoic acid，TIBA）作为X射线衰减特性的信号，⁹⁹Tc^m-DTPA作为放射性信号，合成双模态对比剂聚合物即⁹⁹Tc^m-G4-[[[[Ac]-TIBA]-DTPA]-mPEG₁₂]，用于临床前SPECT/CT成像。其标记率＞79.7%，放射性纯度＞80%，循环半衰期为0.72 h。体内外实验已经证实，这种双模态对比剂具有对心肌内血容量和血流量进行定量的潜在用途。Parrott等^[21]将⁹⁹Tc^m和¹⁸⁸Re标记到树枝状分子G5、G6和G7的核心部位，标记率分别为89%±1%、70%±1%和53%±2%，放射化学纯度＞99%，在健康大鼠体内的组织分布研究表明，注射G5、G6和G7 15 min后即迅速从血液中经过肾脏清除，在肾脏、心脏、肺的清除半衰期＜150 s，基本上无非特异性的滞留，从SPECT/CT图像得到的组织分布定量结果与取出器官后测定的放射性而得到的组织分布结果一致。

CT对于实性组织比较敏感，如钙化、骨皮质、骨折甚至肿瘤，急性脑出血也适合CT检查；MRI检查的软组织分辨率高，对于神经系统、椎管内病变显示更为清晰。CT和MRI的联合应用能够提供病灶部位的高空间分辨率和时间分辨率。Regino等^[22]利用Gd-G8 dendrimer作为CT/MRI的对比剂，用于检测脑部成像情况。体外实验表明，在相同条件下，Gd为基础的试剂的CT衰减值是商品碘试剂的1.6倍，Gd-DTPA的衰减量与Gd-G8相当。体内实验中，CT和MRI两者注射Gd的浓度不少于4.7 mmol/L时，Gd-G8观察的可见增强值为23~78 mmol/L。MRI在估算分布数量上提供了比CT更高的灵敏度，并且在非常低的Gd（< 10 mmol/L）浓度时使用T1图谱可以有效地量化对比剂的浓度和分布。初步研究仅限于正常的脑组织，它对脑内植入肿瘤的大鼠在肿瘤微环境中的影响有待进一步研究。

近期，史向阳教授和张贵祥教授的课题组连续发表了几篇关于dendrimer用于CT/MRI双模态成像的文章，极大推进了该领域研究的进展^[23-25]。Wen等^[23]用第5代的PAMAM螯合Gd和聚乙二醇单甲醚作为模板合成金纳米颗粒（Au nanoparticles，AuNPs），剩余的末端氨基分别螯合Gd (Ⅲ)和乙酰基团，形成多功能的gadolium-loaded dendrimer-entrapped gold nanoparticles（Gd-Au DENPs），实验结果表明，Gd-Au DENPs具有胶体稳定性，且在Au浓度高达50 μmol/L时仍然未观察到细胞毒性。由于AuNPs和Gd (Ⅲ)的存在，Gd-Au DENPs显示出了作为MRI方式的弛豫效能和作为CT成像方式的X射线衰减特性，使得CT/MRI双模态成像在大鼠或小鼠的心、肝、肾和膀胱中成为现实；此外，体内分布研究表明，Gd-Au DENPs具有较长的血液循环时间，在24 h内可以被心、肝、脾、肺、肾和膀胱等主要器官清除；由此可见，灵活地使用dendrimer设计双模态造影对比剂，可能会应用到制备各种生物系统的靶向双模态分子成像的多功能平台。在此基础上，Li等^[24]按照上述方法将Gd-Au DENPs用于MCF-7（人的乳腺癌细胞）的体内和体外成像，体内和体外MRI和CT成像都表明Gd-Au DENPs可以有效地成像。透射电子显微镜显示Gd-Au DENPs主要存在于细胞质中，并且在一定浓度范围内的细胞毒性实验、形态学观察和流式细胞仪检测均表明该探针具有良好的生物相容性，研究结果证实Gd-Au DENPs适合用于乳腺癌细胞的MRI/CT双模态成像。另外该课题组的Chen等^[25]进一步用叶酸（folicacid, FA）修饰Gd-Au DENPs，形成靶向的螯合物Gd-Au DENPs-FA探针，实验结果表明，该探针以AuNPs为核心，尺寸约4.0 nm，在不同pH和温度条件下均具有良好的稳定性，且Au浓度≤200 μmol/L时具有细胞相容性，进一步实验表明该探针显示出高的X射线衰减强度和合理的弛豫效能。螯合物探针的以上特性使得它们可以作为双模态纳米探针，通过FR介导的主动靶向作用，用于体外靶向癌细胞的CT/MRI成像。目前的对比剂对肾功能的损害较多，dendrimer作为载体的对比剂对肾功能的短期影响还不明显，其相关的长期影响有待进一步研究。这些实验表明通过多功能的dendrimer设计纳米探针的策略可能会扩展到设计各种双模态甚至多模态成像剂，用于不同类型肿瘤的诊断。

总之，随着分子影像学的产生和不断深入研究，双模态分子影像技术拥有广阔的应用前景。dendrimer作为一种相对安全、无毒、高效的新型双模态探针的非生物载体，克服了一些传统探针的缺陷，在一定程度上解决了分子探针无法解决的问题，在影像研究领域取得了显著成就，实现了两种成像技术相结合，互相补充。但到目前为止，dendrimer在PET/CT、PET/MRI、US/CT以及PET /US中应用的报道很少。dendrimer的具体毒理、生物相容性以及体内分布也需要作进一步深入研究^[26]。对大量dendrimer的系统调查表明，dendrimer的溶血效应和生物毒性很大程度上依赖以下参数：dendrimer类型、表面基团种类和数量、dendrimer大小（代数）和浓度等^[27]。如何设计出适合人体的双模态纳米探针兼具“治疗诊断”的功能或者合成新型可控的分子探针，解决免疫逃逸问题，如何才能应用于临床等，这些问题的解决需要进一步深入、细化的探索和研究。相信随着纳米技术的不断发展，dendrimer设计和合成手段的不断完善，其作为双模态分子探针的载体，将为疾病的诊断治疗开辟新的思路，使得其最终应用于临床。