分子影像学与蛋白质组学

分子影像学与蛋白质组学 分子影像学与蛋白质组学 缘述与膏谕 引言 分子影像学与蛋白质组学 朱朝晖 (中国医学科学院中国协和医科大学北京协和医院核医学科PET中心北京100730) 摘要分子影像学与蛋白质组学都是目前最前沿,最热门的医学研究领域.分子影像 学通过先进的影像技术"在体"显示与疾病相关的分子改变,而蛋白质组学通过灵敏的体 外检测技术分析与疾病相关的蛋白质组变化.将分子影像技术和蛋白质组学技术结合起 来,很可能相互补充,相互促进,共同推动医学诊疗技术的突破.本文将在简要介绍分子 影像学和蛋白质组学各自主要特点的基础上,分析二者相互结合的价值,并展望未来发展 的方向. 关键词分子影像学蛋白质组学 人类探索未知世界的渴望推动着各种探测仪器 和相应研究技术的进步,而先进的仪器设备又拓展 人类的视野,带来许多全新的认识,并带动进一步的 研究和探索., 目前,人类对于生命的认识正在进入一个全新 的分子时代,即从对一个或几个特定分子的研究,进 入到对一组分子进行整体的分析.基因组,蛋白质 组,代谢组……——这些专有名词顺应人们对分子 水平生命现象的认识而出现,并很快在生物医学领 域得到广泛的认同,形成相应的学科.这些认识的 进步也与各种高通量检测技术的发展密切相关.质 谱,核磁,高效液相色谱,双相电泳,基因和蛋白芯片 等检测和分离技术的进步对于相关研究的进展起到 重要的推动作用. 然而,这些灵敏的分析技术毕竟属于体外检测, 人们要认识"活体"内分子的变化,还需要利用先进 的分子影像技术.正电子发射断层显像(PET),单 光子发射断层显像(sPEcT),磁共振频谱成像(MRS) 和光成像等分子影像技术可以使人们直观地看到微 观分子的宏观现,主要是指特定分子在体内的分 布和随时间的变化,以及与其它分子的相互联系和 相互作用. 分子影像学与蛋白质组学是当前最前沿,最热 门的医学研究领域.前者利用先进的分子影像技术 在体显示与疾病相关的分子改变,主要显示酶,受体 和其它蛋白质功能的改变;而后者利用先进的体外 分析技术检测与疾病相关的蛋白质组的整体变化. 显然,这两个领域是互补的,各自相关的技术在医学 研究中也具有互补作用,将它们结合起来,很可能相 互促进,共同推动医学诊疗技术的突破. 1分子影像学 分子影像学(molecularimaging)是分子生物学和 现代医学影像技术相结合的产物,是一门新兴的边 缘学科.1999年美国哈佛大学Weissleder等人提出 分子影像学的概念,即应用影像学方法,对活体状态 下体内分子的生物化学过程进行定性和定量研究. 利用分子影像技术,可以对特定分子在体内的生物 学行为进行直观显示.当然,实际看到的只是活体 内微观分子的宏观分布,及其随时间的变化. 目前,已临床应用的分子影像技术主要有PET, SPECT和MRS.用于实验研究的主要有小型PET, 小型SPECT,小型高场强核磁和光成像技术. PET和SPECT同属核医学的发射断层显像 (ECr)技术【l'2],都是利用放射性核素标记的化合物 进行显像,即在体外检测体内标记化合物的分布及 其变化.但二者利用的核素种类不同,前者利用 ?C13N,O,F等正电子核素,而后者利用99Tem, ?In和删rI1等单光子核素.因此,相应的探测技术 也不相同,前者对成对方向相反的光子进行符合检 测,而后者需要依靠准直器来确定光子的方向和位 置.PET在空间分辨率,检测灵敏度和定量准确性 等方面明显优于SPECT. 磁共振频谱成像(MRS)主要利用磁场信号的不 同来区分不同结构的分子,其临床应用刚刚起步. 例如,可以通过定量分析病灶中胆碱,肌酸,谷氨酸 和乳酸等化学物质的含量,来研究脑肿瘤,脑梗死和 癫痫等疾病.其主要优点是可以非常方便地融合到 l 曩代仪?(www.moderninstrs.org.cn) 高分辨率的磁共振(M砌)图像上.一般来说,磁场 强度(单位为T)越高,区分不同结构分子的能力则 越强.目前,临床使用的功能核磁和MRS的磁场强 度可以达到3T,而动物实验用的小型核磁的场强可 达到9T以上.磁共振分子影像技术的主要不足是 灵敏度相对较低,对于脑内神经递质和受体的显示 一 般只能达到l摩尔浓度,而PET则有可达到 l摩尔浓度,相差高达lO亿倍. 光成像方法很多,用于分子影像研究的主要是 近红外线荧光成像技术,以及基于绿色荧光蛋白和 虫荧光素酶等的光成像.这一技术主要优点是无辐 射,可进行连续,实时监测,灵敏度较高,且花费相对 较低.但光穿透能力有限,仅为数毫米到数厘米,因 此,目前光学成像技术只能用于小动物实验研究. 2蛋白质组学 随着人类基因组的完成,相关研究已进入 后基因组时代.蛋白质组学研究,特别是与疾病相 关的蛋白质组研究正成为现阶段的热点. 蛋白质组(pmteome)的概念最先由wdki璐和 Williams等于1994年提出,指一个基因组所表达的 全套蛋白质,或由细胞,组织乃至生物体所表达的全 部蛋白质.与基因组(genome)不同,蛋白质组随着 组织甚至环境状态的不同而改变.从基因到蛋白 质,在转录,翻译,修饰和运输过程中可能会有多种 变化,因此,蛋白质组与基因组并非简单的对应关 系,蛋白质组中蛋白质的数目可以远远超过基因组 中基因的数目. 目前,蛋白质组学(pmteomics)尚处于早期发展 阶段,主要的研究集中在两个方面:一方面是全蛋白 质组研究.在人类全蛋白质组的世界合作研究中, 中国接受肝脏全蛋白质组的研究任务.另一方面是 差异蛋白质组的研究,包括寻找和鉴定与疾病相关 的特征蛋白质改变,探索相关的基因表达调控机制, 以及研究药物治疗等对它们的影响.蛋白质组的研 究将阐明生命活动的分子基础,也将为众多种疾病 的攻克提供理论根据和解决途径.因此,这一工作 不仅是探索生命奥秘所必须,也将推动人类健康事 业的发展. 蛋白质组研究技术有很多种,且仍在迅速发展 之中l3...目前常用的技术手段有以下几个方面: (1)在样品制备方面,可以根据脂溶性或水溶性,以 及按定位于不同的细胞器进行分离.采用激光捕获 微解剖(LCM)技术可以将肿瘤细胞与血管,基质细 2 胞等分离开,分别进行分析;(2)在蛋白质分离方面, 一 种经典而有效的方法是利用蛋白质的等电点和分 子量的不同,通过双向凝胶电泳(2DE)的方法将各 种蛋白质区分开来.一些新型分离技术,如二维色 谱(2DLC),二维毛细管电泳(2DCE)和液相色谱 一 毛细管电泳(LCCE)等也大有补充和取代双向 凝胶电泳之势J.也有很多人在研究如何利用蛋白 芯片技术进行简单,快速的分离l4'5;(3)在蛋白质 鉴定方面,质谱技术是目前蛋白质组研究中发展最 快,也最具活力和潜力的技术【...它通过测定蛋 白质的质量来判别蛋白质的种类,其中基质辅助激 光解吸离子化飞行时间质谱(MALDITOFMS)和表 面增强激光解吸离子化飞行时间质谱(SELDITOF MS)正成为当前蛋白质组学研究的主要技术.其它 技术还包括蛋白质和多肽的N端或C端测序,氨基 酸组成分析及用于蛋白质相互作用和作用方式研究 的双杂交系统等;(4)在蛋白质组生物信息学方面, 蛋白质组数据库是蛋白质组研究水平的标志和基 础.生物信息学的迅速发展离不开各种先进的数据 和图像分析软件,以及网络技术的支持.目前,已能 够对多种蛋白质组进行方便,有效的计算机软件分 析和网络检索.总之,一个完整的蛋白质组研究过 程一般包括样品处理,蛋白质的分离,蛋白质丰度分 析和蛋白质鉴定等步骤.为保证分析过程的精确性 和重复性,大规模样品处理机器人也已应用. 3分子影像学与功能蛋白质组学的结合 目前,无论是在国际上还是在国内,分子影像学与 蛋白质组学都是最前沿,最热门的医学研究领域,但将 两个领域或两种技术结合起来的文献尚不多见. 最近,韩国的Lee等ulJ用18FFDGPET结合免疫 组化和蛋白质组学方法比较分析7例肝细胞肝癌 (HCC)和7例肝内胆管癌,尽管两种肿瘤对坞FFDG 的摄取同样增高,但免疫组化分析提示两种类型的 肿瘤存在葡萄糖转运蛋白1和己糖激酶?表达水 平的差异,而对肿瘤标本的蛋白质组分析则发现至 少l3种与肿瘤代谢密切相关的蛋白质的差异.此 项工作为PEr与蛋白质组学技术结合用于肿瘤研 究提供典范.这一研究较好地体现蛋白质组学技术 对于区分肿瘤类型及分析肿瘤代谢机制的价值,但 PEr的优势在这里并未充分体现出来,也许进一步 研究坞F.FDG高摄取和低摄取的肝细胞肝癌之间的 蛋白质组学差异将是一个更有趣的课题. 事实上,对坞F.FDG高摄取和低摄取HCC的 ?连与膏谕 RNA分析已经提示二者基因表达的差异.在Lee等 的另一篇文章uJ中,他们研究4例18F—FDG高摄取 和6例低摄取的HCC,提取冻存肝组织和其中7例 相邻肝组织的总RNA,用寡DNA微阵列的方法评估 基因的表达,发现11个基因表达的上调,9个基因 表达的下调,这些基因与细胞的生存和扩散相关,提 示F—FDG高摄取的HCC具有更高的侵袭性. 先进的分子影像技术PET与极具发展前景的 蛋白质组学技术完全可以找到很好的结合点,这是 因为前者本质上就是利用影像来显示某些与疾病相 关的功能蛋白质的改变.例如,F—FDG在肿瘤中的 浓集与肿瘤细胞膜上葡萄糖转运蛋白以及细胞质内 己糖激酶的高表达密切相关.PET等分子影像技术 不仅可以用于显示或验证某些与疾病相关的蛋白质 的功能,也可以用于研究它们与其它相关蛋白质(包 括体液中的蛋白质)的相互联系及相互作用[133.同 时,蛋白质组学的最新研究成果也可以帮助认清一 些分子影像表现的本质,并指导PET新药的研制. 特别是血清中特征蛋白指纹的检测可用于体外筛 查,并可协助分子影像技术进行疾病的诊断和鉴别. 早在2002年,Haberkom等就对核医学在功能基 因组和蛋白质组研究中的价值进行分析和展望【143. 2O04年,他们又对功能基因组和蛋白质组研究对核 医学的价值进行阐述[].Jagust在2004年一篇题 为"theproteomicsofpositronemissiontomography"的编 者按中也对PET用于蛋白质组学研究充满期待[163. 在2005年第96届肿瘤年会上,美国国家肿瘤研究 所主席Eschenbach宣布[173:美国将利用蛋白指纹图 谱技术对肿瘤进行早期定型,并与PET/CT对肿瘤 早期定位等技术手段相结合,对肿瘤作出早期诊断, 希望到2015年,这些技术的进步能够使部分肿瘤成 为非致死性疾病. 核医学技术在功能基因研究中已体现出很强的 优势,基因和反义显像等已成为活体基因研究 的重要手段.虽然至今真正将PET显像和蛋白质 组学技术结合起来研究的文献报道仍很少见,但相 信这是一个极具创新潜力的研究方法组合. 4未来发展展望 许多疾病始于基因或基因表达的异常,继而表现 为蛋白质组的差异,并因此导致功能和代谢异常,最 后才表现出组织形态改变,以及临床症状和体征.经 典的医学诊断建立在临床症状和体征之上,通过CT, MRI等影像手段显示具有解剖结构,形态或密度异常 的疾病,通过实验室检查检测某些特征性的代谢异 常.而未来的医学诊断将能够在基因,蛋白质和功能 代谢水平发现疾病,以达到早期诊断,及时治疗甚至 提前预防的目的.为实现这一目标,需要离体的分子 检测技术和在体的分子影像技术的协同发展. 在离体检测方面,基因组,蛋白质组和代谢组的 分析检测将从不同角度回答疾病的相关问题.对基 因组的分析有助于了解疾病的根源,回答可能会发 生什么疾病的问题.但基因的异常有可能并不会马 上显示出疾病,蛋白质组的变化才是疾病的物质基 础.有了物质基础,也并不一定会发生疾病,只有当 代谢组也发生相应的变化才表明疾病确实已经发 生.然而,所有的体外检测都只能推断而非直接显 示身体内正在发生的事情,要探查体内与疾病相关 的分子改变,还需要分子影像技术. 已看到,以PET为代表的分子影像诊断确实可 以在功能代谢,蛋白质表达甚至基因水平检出尚无 解剖异常的疾病.因此它可以更早期,更准确地诊 断疾病和评估治疗效果.同时,这一技术也为探索 疾病的发生,发展和转归,指导分子水平的疾病治疗 提供新的途径.然而,PET的空间分辨和病灶定位 能力仍然有限,将PET与具有精细解剖显示的CT 同机融合可以解决这一问题,这也是近年来PET/CT 技术得以迅速发展的主要原因[].同样,PET技术 与蛋白质组学,基因组学和代谢组学技术的结合也 很可能擦出耀眼的"火花".这些技术的结合应用将 不局限于疾病的诊断,在未来的治疗药物研究,包括 中医中药的研究也很可能发挥重要的作用. 参考文献 1朱朝晖.正电子发射断层显像,现代仪器,2001,7(1):14 , 17 2陈黎波.多功能ECT/CT复合成像系统,现代仪器,2001, 7(6):20,21 3张洁,张丽华,张玉奎等.蛋白质组学研究中的多维液相 分离系统,现代仪器,2OO4,10(1):1,6 4高志贤.蛋白芯片技术研究进展及其应用,现代仪器, 2OO4,10(3):1,5 5郭永,张正.生物芯片及其在临床医学中的应用,现代 仪器,2001,7(5):4,6 6黄凌云,赵和平,丁学勤等.生物质谱在蛋白质组学研究 中的应用,现代仪器,2OO4,10(1):7,12 7赵晓光,薛燕,刘炳玉.MALDI-TOF质谱仪关键技术及进 展,现代仪器,2003,9(4):17,20 (下转第7页) 3 缘述与膏诒 参考文献 1胡宗泰.医用内窥镜现状及发展趋势,世界医疗器械, 1997.7:32—34 2IddanG.MemnG,GlukhovskyA,ela1.Wirelessca~uleen. doscopy.Nature.20oO.405—417 3MemnGD.Thedevelopmentoftheswallowablevideo-capsule (M2A).GastrointestEndo~.20o0,12:812—819 4付国强,梅涛,孔德义等.无线微型机器人肠道内窥镜系 统中图像采集与无线传输子系统的,光学精密工程, 2002.10(6):615—617 5KormanLY.Weinstein胤.WashingtonDC.Wirelesscapsule endoscopy:Videoanalysisofgastrointestinalmotilityandtransit .sinsGivenM2Aimagingsystem.GastrointestEndo~.20O2, 55:AB133 6DeFranchisR.RondonottiE.AbbiatiC.UseoftheGivenvideo ca~ulesystemin8nlallboweltransplantedpatients.Gastrointest Enclose.20o2.55:ABl29 7w,^.givenimaging.tom 8w,^.rfnorika.eom 9皮喜田,彭承琳,郑小林等.药丸式微型诊疗仪器研究进 展,医疗卫生装备,2OO4,3:29—32 10谢翔,李国林,陈凯新等.一种数字式微型无线内窥镜 系统.电子技术应用.2005,6:2628 11H.J.Park,I.Y.Park,J.W.Lee,ela1.Designofminiaturized telemetrymoduleforbi.directionalwirelessendoscopes.IEICE Tram.Fund.Electron.,Commun.,Comput.Sci,2003,E86_ A(6).1s7—1491 Theprogressofcapsuleendoscopetechnology YanhuiHuangZhanhua (CollegeofPrecisionInstrmnent&Opto-electronicsEngineering,TianjinUniv.,KeyL ab.Of Opto-electronicInformationTechnicalScience,MinistryofEducation,Tianjin,300072,Ch ina) Abstractqhisarticlemainlyintroducestheprogressofcapsuleendoscope.Particularlytheint ernalstructureofM2A andNORIKA3capsuleendoscopeisintroduced.Severalkindsofcapsuleendoscopewereco mparedintermsofparameter andthenthekeytechniqueanddevelopingtrendofcapsulearediscussed. KeywordsEndoscopeCapsuleendoscopeAlimentarytract (上接第3页) 8赵善楷.机体辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪的离子 延时引出新技术,现代仪器,2001,7(2):1—3 9季怡平,张红明.激光解吸电离飞行时间质谱技术及应 用,现代仪器,2001,7(1):18—9 10何大澄,,肖雪嫒.SELDI蛋白芯片在蛋白组学中的应用, 现代仪器,2O02,8(1):1—4 11LeeJD,YangWI,ParkYN,da1.Differentuptakeand #ycolyticmeclmnismb6,twi~nhepeocellularcrHmandintl~- li~flficmass-fo,,,~Sehol~mwithincreased18F-FDG uptake.JNuclbled.2OO6,46(10):1753—9 12LeeJO,YunM,LeeJM,ela1.Analysisofgeneexpression profilesofhepatoceUularcarcinomaswithreIdto18F-fluo— rl~yglilco6euptakepEIttc-monp?ionemissio~tomog~hy. EurJNuclMedMolImaging.20O4,31(12):1621—30 13l_akerGD,SharmaV,PicaCM,ela1.Noninva~ivei?m画lof protein-proteininteractionsinlivinganimals.ProcNatlAcad SciUSA.20O2.99(10):6961—6 14HaberkomU,AhmanuA,EisenhutM.Functionalgenomies andproteomics-theroleofnuclearmedicine.EuroJNuel Med.2002,29(1):ll5—32 15HaberkomU,AhmanuA,MierW,ela1.Impactoffunctional genumiesandproteomiesonradionuelideimaging.S~llinNucl Med.200-4.34(1):4—22 16JagnstW.Theproteomicsofpositronemissiontomo~mphy. AnnNeuro1.20o4,55(3):303—5 17第三届临床蛋白指纹图谱技术研讨会.1ato://www.tech- ex.c0m/啦删/r坩s/mainland/01B53263.html(2006年4 月15日) 18朱朝晖.PET-CT技术的发展现状与展望,现代仪器, 200-4,10(4):6—10 Molecularhnag~andfunctionalproteomics ZhuZhaohui (踞rCenterofPekingUnionMedicalCollegeHospital,CAMSandPUMC,Beijing100730) AbstractMolecularimagingCallshowmolecularchangesofdiseasesinvivo,whileproteomieanalysiscandetect changesofdisease-relatedproteinsinvitro.Botharehottopicsofmedicalresearchinrecentyears.Thetwofieldsor techniquescomplementeachother,andthecombinationmayleadtonewadvanceindiagnosisandthempyofdiseases. Thisreviewintroducedtherelatedtechniquesinbdef,anddiscussedtheapplicationofthetechniquesincombination. KeywordsMolecularimagingFunctionalproteomies 7