圖15-42、Q 球影像在大腦上的應用(a)綜合非等向性指標圖；(b)方向分佈函數圖
在生醫分子影像技術當中，為了可以使影像呈現較佳的對比以區分病灶與正 常組織或是明顯標示其細胞間訊息傳遞的過程，一具有特異標定之分子探針則扮 演一相當重要的研究工具。然而，隨著奈米材料與應用之相關技術的發展，具有 良好生物相容性或是利於修飾生物分子之奈米材料往往可以被設計成為藥物傳 遞或是特異分子標定的媒介[50]，如圖15-43所示。
圖15-43、利用抗體-抗原之特異結合將其顯影劑應用於分子影像之細胞或組織的 標定
醫學影像對比顯影劑的發展
在奈米醫學診斷(nanodiagnostic)上，其終極目標是希望於疾病初期即可加以 診斷分析，並且可以於細胞分子層級上加以偵測。為了可以達到這個目標，在探 針(probes)的設計上就必須找到一個具有智慧偵測的奈米藥物，用於自動導向標 定活體內或活體外的細胞上之相關訊息[51-53]。 因此奈米科技的發展與方法的建 立在疾病診斷上與藥物開發的過程佔有相當重要的地位與影響[54-55] 。
因此，作為影像醫學的顯影劑為了可以正確標定與偵測，故應具備下列的特 性：
1. 高靈敏度：顧名思義當作標定探針的分子應具有高靈敏度的標定表現。由於 往往於細胞或組織間分子釋放或表現其單位濃度較低，且並非所有的細胞或組織 內可偵測的特異分子是均勻分佈，因此作為理想的標定探針的藥物均希望可以偵
測到次微莫爾濃度(sub-micromolar)或是次奈莫爾(sub-nanomolar)濃度的偵測範 圍。也因此需要運用到高靈敏度的偵測受器或分子及高靈敏度的偵測設備。
2. 高特異性：由於有興趣的分子均需要有一個特異性高的標定才能將我們所希 望看到的訊號與背景加以分別並達到一個高訊雜比。而要達到此一目的，可以利 用具有特異結合的分子，如：抗原-抗體等，即可區分特異結合與背景訊號的差 異，而且高特異標定的分子亦可以減低非特定標定所產生的訊號干擾。
4. 良好的生物相容性：無論是何種藥物或是奈米材料，為了可以做為分子探針，
生物相容性高是一個必要的條件。就研究與藥物開發而言，其研究對象多為生物 體，因此，為求實驗的準確與安全性，高生物相容性是十分的重要。具有高生物 相容性的藥物或奈米材料可以於實驗偵測的過程成不會改變生物體內組織的功 能性，亦不會因此而造成影像對比的錯誤診斷。
在過去的文獻中，有許多的學者對於生物標定的探針與應用有著相當多的發 展與設計策略，以使預期的分子探針可以運用於生醫分子影像中偵測蛋白質層級 的訊號變化。而這些策略可如以下所示： (a) 增進標定及被標定物的結合，如 利用avidin-biotin 兩分子之間的特異結合[56]，增進藥物於實驗體內的藥物動力學 的分佈[57]， (b) 利用特殊的細胞功能，如擷取或抓取細胞上特定的
ligands[58-59] ，以及 (c) 藉由標定探針本身性質上的變化，尤其是當該分子探針 與目標發生特異結合的情形下，如螢光分子探針的quenching 或 dequenching[60],，
或是於磁振造影中改變分子探針的性質，如 r2[61] or r1[62]的變化。而這些方式的 利用與發展可以增加生醫分子影像技術研究，亦可使我們達到偵測基因表現與細 胞間蛋白質等訊息傳遞的訊號偵測。
作為生醫分子影像中所使用的顯影劑需要對於被偵測物，無論是細胞或是組 織區域需具備有高靈敏度、高特異結合的表現、以及良好的生物相容性。因此，
當奈米材料或物質應用於此一研究領域，為了使其奈米材料可以達到上述的條件 以達到作為分子影像中所使用的分子探針，其材料或粒子的修飾或表面改質就變 得相當的重要。也因如此，許多的研究學者為了朝向這個目的，他們會利用一些
低分子量的ligands 或是一些巨分子的結構，如：寡核酸結構(oligonucleotides)、
抗體(antibodies)等對於欲被標定之細胞膜上之特定受器或是反應區域有良好的 特異吸附的分子，使其修飾於分子探針的表面，如此策略的應用可以使其分子探 針成為一具有導向性標靶型材料，以達到特異標定的目的。此外，為增加其分子 探針的生物相容性，亦可於粒子或材料的表面修飾上提高生物相容性的聚分子，
如：聚電解質的聚醯亞胺(polyethyl imide, PEI)、聚乙酸(polyacetic acid, PAA)，
或是高分子聚合物，如：聚乙二醇 (polyethyl glycol, PEG)等分子，以期欲成為分 子探針之材料可以避免於生物體中引急性的生物毒反應或是免疫反應。然而，利 用這些以抗體或是小分子寡核酸修飾而成的分子探針顯影劑，往往有兩間重要的 課題是必需要注意與了解：一為分子探針顯影劑的非特異性結合造成影像訊號上 無法與欲標定的區域做有效的訊號區隔，以及修飾於分子探針上的抗體或是特異 分子只能接觸與標定在分布於被標定物的表面受器，以致於訊號無法大量放大。
其二，偵測靈敏度亦是相當重要的關鍵因子，若是與分子探針標定的過程可以在 小量標定時造成有效的訊號放大以增加訊雜比(signal to noise ratio)則可更精確的 區分訊號與背景的差異。
磁振造影技術近年來以廣泛地應用於生醫分子影像的研究上，其主要的優點 是一非侵入式的偵測取像，且沒有任何放射性物質的疑慮，此外，磁振造影相較 於光學生醫分子影則具有相當良好的空間解析及深度解析的取像能力，若搭配磁 振光譜(Magnetic Resonance Spectrum；MRS)便可將偵測的極限推至分子層級，
因此磁振造影技術的發展於生醫分子影像是相當重要的。在磁振造影的技術中，
其偵測的對象為spin quantum nunber為奇數的原子核，如：氫(1H)、碳-13(13C)、
氧-17(17O)、磷-31(31P)等原子，然而在生物體中，水佔了大約70%，且不同的組 知其含水程度均不相同，故影像上則多偵測水分子中的氫原子或是氧-17原子，
且也因為含水量的不同，可以造成不同組織或器官在磁振造影的解剖影像上即可 有相當的區別，於此我們多針對氫原子及顯影劑的使用來加以討論。
基本上，磁振造影中造成影像亮、暗的變化與該組織或器官中氫原子的弛緩
時間(relaxation time)的不同所致，其又可分為自旋-晶格弛緩時間(spin-lattices relaxation time；T1)及自旋-自旋弛緩時間(spin-spin relaxation time；T2)，這兩個 重要的參數也是之後展磁振造影顯影劑必須考量的因素。而若要成為磁振造影顯 影劑，其必須對氫原子的T1、T2有相當的影響，於此可以分成兩大類來加以說 明，一類為順磁性(paramagnetic)的核種或物質，如：Gd3+、Mn2+、Co2+等元素，
其主要的作用是該核種與水分子中的氫原子交換結合時，會使氫原子的T1縮 短，這樣的的結果會造成影像上的對比變亮的變化趨勢，亦稱為正向顯影劑 (positive contrast agents)。但是這類的核種對生物的毒性也較高，因此在臨床使用 上均是利用螯合劑將Gd 等核種包覆以減低生物毒性影響。而另外一類則是超順 磁(superparamagnetic)的物質，如氧化鐵奈米粒子，其主要的作用機制是改變水 分子的T2或是造成磁場梯度的不均勻，進而使受影響的區域的影像有變暗的趨 勢，此類顯影劑亦稱為負向顯影劑(negative contrast agents)。
因此為了可以利用磁振造影來偵測特異的巨分子或是分子影像，就如同光學 影像中所使用的量子點，針對有興趣的細胞、組織使其與磁振造影的顯影劑做選 擇性的結合，造成在磁振造影下影像訊號上的差異，藉以鑑別未與顯影劑結合的 組織區域(如圖 15-44)。為了可以輕易的進行表面修飾的工作，超順磁的氧化鐵 奈米粒子(Superparamagnetic iron oxide nanoparticles；SPIO)則是近年來於磁振造 影中常被研究的材料。然而，除了奈米粒子進行表面修飾之外，利用SPIO 有這 下列幾項主要的目的： (1) SPIO 相對於 Gd-chelated 對訊號改變在每單位金屬原 子有這較大程度的改變，尤其是在T2*-weighted 磁振造影上；(2) SPIO 的主要成 份是氧化鐵且容易於生物體內分解成鐵原子，並且這些鐵原子則是可以參與生物 體的鐵代謝循環機制，因此是一相當高生物相容性的物質；(3) SPIO 的表面修飾 相當的容易，可輕易地將具有標定功能性的分子或是抗體利用化學鍵結的方式將 其修飾於SPIO 的表面，以達到分子導向探針的目的；(4) SPIO 可以藉由一些染 色的方式加以呈現，如普魯士藍等，使其可以再利用光學或是電子顯微鏡的方式 加以偵測、觀察；(5) SPIO 可以巧妙的利用化學合成的方式操控其粒徑大小的變
化，以呈現不同的結構及磁性的性質。
利用上述之奈米顯影劑可以作為標定細胞或是腫瘤並應用於磁振造影的疾 病診斷或追蹤。如圖15-45 所示。
圖15-43、磁性奈米粒子應用於細胞標定及動物疾病模式之磁振造影相關研究。
a. 正常口腔細胞；b. 口腔癌細胞之標定(藍色點狀分佈為利用普魯士藍試劑針對 氧化鐵奈米粒子染色之結果)。c. 口腔癌之動物疾病模式利用記標定功能之奈米 顯影劑於磁振造影之結果(紅色圈內為腫瘤位置)。
c
20 μm
圖15-44、四氧化三鐵磁性於蛋白質分離與細胞標定作為磁振造影分子影像技術之示意圖[63]
分子影像可以使醫學影像系統由單純的解剖影像進入分子與細胞層級的功 能性影像之領域，無論是疾病與腫瘤組織的標定、或是細胞轉移、治療的追蹤，
這些主動性的奈米探針均可展現其功效。雖說目前的研究大多停留在疾病動物模 式或是臨床前研究，總觀生醫分子影像與奈米技術的發展，針對臨床疾病的早期 診斷與主動式藥物傳遞或治療均提供了一有力的研究平台與方向。