背景、文獻回顧

在第一部份的臨床研究中，我們成功利用動態顯影磁振造影將良性腰椎壓迫 性骨折與病理性腰椎壓迫性骨折骨髓內血管新生血液灌流的情形的區分出來。雖 然二者內部都有進行血管新生現象，但顯影劑早期流出病灶為病理性腰椎壓迫性 骨折特有之現象。第一部份的完成也反映出目前臨床所使用的磁振造影檢查對病 灶的偵測(包含病灶的偵測，大小，範圍，成分，以及病灶內的一些血流生理現 象)所能達到的極限。我們有沒有甚麼方法，可以使磁振造影偵測病灶的能力更 上一層樓?

自西元 1895 年侖琴發現 x 光後，開啟了臨床醫學的新里程碑-影像醫學，

人類從此可以在生物體還活著的時候，看到其內部的構造。儘 管 過 去 的 20 多 年 裏 ， 醫 學 影 像 的 設 備 和 技 術 有 了 顯 著 的 進 步 ， 如 電腦斷層掃描，超音

波，磁振造影等各 種 影 像 儀 器 的 解 析 度 不 斷 提 高，所 能 檢 查 的 構 造 越 來 越 清 晰 ， 但各種傳 統 影 像 學 儀 器 主 要 依 賴 非 特 異 性 的 物 件 成 像 原 理 來 進 行 不 正 常 病灶的 檢 測 ， 如 利 用 不 同 組 織 物 理 學 特 性 （ 如 組 織 的 吸 收 、 散 射 、 質 子 密 度 等 ）的 不 同 ， 或 者 從 生 理 學 角 度（ 如 血 流 速 度 的 變 化 ）來 診 斷 疾 病，但 無 法 以 影 像 方 式 顯 示 體 內 具 體 分 子 或 細 胞 層 級 的 改 變。現 今 面 對 人 類 十 大 死 因 之 首 的 癌 症，各 種 傳 統 影 像 儀 器 也 只 有 當 身 體 發 生 明 顯 的 解 剖 結 構 發 生 改 變 時 才 能 發 現 異 常 。 但事實上，

當一個腫瘤長到可被影像診斷儀器偵測到時，在此之前身體內已經發生了許多生 理, 代謝, 以及許多特殊分子的變化；甚至我們可說，一個腫瘤的產生只是組織 內眾多分子變化之後一個最後的結果(圖 5)。

故從另一角度來看，傳統醫學影像已面臨到一個瓶頸，光偵測各種組織器官 外型構造的變化已經逐漸無法滿足臨床醫學的需求；我們需要新的影像診斷策 略，使我們能在身體內開始發生代謝，生理，甚至一些特定分子變化的時候，能 夠用影像學的方式偵測出來。因此，1999 年美國哈佛大學 Weissleder 等人提出 了分子影像學（molecular imaging）的概念(Weissleder, 1999)：意即應用影 像學方法，對活體狀態下的生物進行細胞和分子層級的定性和定量的活體影像研 究，意 圖 在 分 子 生 物 學 與 傳 統 影 像 醫 學 之 間 搭 建 起 一 座 橋 樑 ， 通 過 活 體 影 像 直 接 顯 示 細 胞 或 分 子 層 級 的 生 理 和 病 理 變 化 。

分子影像學預計能達成的目標如下：第一，分子影像技術可將基因表達、生 物信號傳遞等復雜的過程變成直觀的圖像，使人們能在分子層級上理解疾病的發 生機制；第二，分子影像技術能夠發現疾病早期的分子變異及病理改變過程；第 三，分子影像技術可在活體上早期、連續觀察藥物或基因治療的機轉和效果。在 器官層級，我們可藉分子影像偵測腫瘤所在、數量(tumor burden)及有否轉移；

在組織層級，我們可藉分子影像觀察血管新生現象，藥物給予途徑；在細胞層級，

我們可藉分子影像觀察腫瘤標記與藥物標的(drug targeting)；在基因層級，我 們可藉分子影像偵測 DNA 合成速率，基因治療之效果。目前，分子影像研究還處

於起步階段，但已經在動物模型、基因治療、藥物篩選和腫瘤檢測等方面的研究 中取得了令人矚目的成績。對癌症的研究是分子影像學研究的重點之一，如果在 腫瘤的早期將其發現，在癌症藥物治療的早期，即可判斷是否發生效果，這將引 發腫瘤診斷、腫瘤治療的重大變革。

分子影像的目標要如何達成呢？我們如何利用現有的影像儀器，而獲得活體 內分子活動的證據？ 其關鍵就在發展具有高親和力的分子標靶顯影劑

(molecular targeting contrast medium)。分子標靶顯影劑的結構內包含兩大 部分。在分子標靶顯影劑內應具有能夠和腫瘤相關的特異標靶(target)結合的分 子探針（如抗體，酵素受體，或與某腫瘤標記具有高親合力的分子結構，…等），

分子標靶顯影劑內也應接合各類醫學影像儀器的顯影劑（可以是放射性物質[迦 瑪射線攝影機、正子攝影機]，磁振照影 T1 影像釓顯影劑，磁振照影 T2 影像氧 化鐵顯影劑，微氣泡[超音波]，光學報告基因（luciferase reporter gene）[光 學攝影機]，螢光試劑[活體螢光攝影機, 活 體 顯 微 鏡 ]等）。將分子標靶顯影劑 注入活體內後，因其有能夠和生物體內特異靶點結合的分子結構，故顯影劑會在 體內有大量表現目標靶點的組織或病灶聚集，接著依標靶顯影劑所接合的顯影 劑，使用相關的影像系統收集由分子標靶顯影劑所產生的信號來呈像。

以上的想法若能完全執行自然十分的理想，但實際上在活體影像需要克服許 多問題。例如：第一、 此探針需具有很好的特異性（specificity），若是該標 靶顯影劑特異性不好，則其偽陽性將是影像判讀之一大問題。第二、標靶顯影劑 需要能夠克服各種生理屏障，包括血管壁、細胞間隙、細胞膜、血腦屏障等，這 是分子影像的一大難點，在技術上至少需要將標靶顯影劑做到 50nm 直徑以下，

同時標靶顯影劑直徑又不能太小，以維持標靶顯影劑血中濃度，避免馬上被排出 體外。第三、需要顯影劑信號放大策略，由於標靶顯影劑在體內(即使已經聚積 在病灶附近)的濃度很低，所以一方面影像偵測儀器需要具備極高的靈敏度

（sensitivity），另一方面我們需要通過化學或生物的方法使顯影劑信號放大。

就影像偵測儀器之靈敏度而言，目前核子醫學影像儀器具有最高偵測放射性分子

探針的靈敏度，當顯影劑濃度在組織內有 nM 濃度的量時即可被核子醫學攝影機 偵測到；而磁振照影顯影劑濃度在組織內要有µM 濃度以上才能被偵測到，二者 敏感度相差 1000 倍，這也是為什麼核子醫學分子影像學在目前的分子影像研究 中佔有先驅的地位。 另外就顯影劑信號放大策略而言，可以藉助載體（carrier）

等方法，將多個顯影劑分子嵌合於一個載體上，同時亦將多個和特異靶點(target) 結合的分子結構，嵌合於同一個載體上，而達到放大訊號的目的(圖 6)。一方面 因載體為較大的分子，使標靶顯影劑不致馬上被排出體外，一方面載體選用生物 鈍性(biological inert)物質使此標靶顯影劑不致與體內蛋白質有吸附作用或 遭巨噬細胞吞噬，生物相容性 (Biocompatibility) 高而不具毒性，另外載體上 可攜帶多個功能基(functional group)，使一個載體可同時接合多個顯影劑以達 到顯影信號放大的目的，以及可接合多個和生物體內特異靶點(target)有高親和 力的分子探針，以增加尋找特定標靶的能力。

學生於2003年前往美國麻州總院放射科分子影像實驗室(Center for molecular imaging research, CMIR)研習一年, 期間以葉酸接受體標靶影像與 活性氧光化學影像為題目完成了三項計畫並將其成果分別發表相關分子影像雜 誌 (W. T. Chen, Khazaie et al., 2005; W. T. Chen, Mahmood et al., 2005;

X. Chen, Conti et al., 2004)。基於在發炎組織中活化的巨噬細胞會大量表現 葉酸接受體(Nakashima-Matsushita, Homma et al., 1999)，我們使用葉酸接受 體近紅外線光學分子探針，在老鼠lipopolysacchride關節發炎模式成功的偵測 到在發炎組織中活化的巨噬細胞(圖7)。我們又利用此分子探針在 KRN mice serum transfer 模式，KRN鼠的血清內有攻擊關節滑液囊的自體抗體，若注入到 健康B6小鼠體內，不久健康B6小鼠也會在各處發生關節炎。我們在KRN鼠的血清 注入到健康B6鼠體內36小時後即偵測到小鼠右腕有高訊號表現(圖8)，但此時小 鼠右腕外觀上仍無紅腫熱等異狀。將小鼠犧牲後組織學證實右腕已有輕微發炎反 應與活化的巨噬細胞聚集(圖八)(W. T. Chen, Mahmood et al., 2005)。因活化 的巨噬細胞也常伴隨腫瘤的發生(Pasricha & Motamedi, 2002)，我們又利用此

探針在APC^- mice腸腺瘤模式，該鼠因APC基因缺陷，在生長一段時間後即在腸內 發生多發性腸腺瘤(dysplastic adenoma)，隨後我們也證實了葉酸接受體近紅外 線光學探針可以偵測tumor associated activated macrophages(圖9)(W. T.

Chen, Khazaie et al., 2005)。在美國剩下的時間，我們也完成了以luminol 容 易產生光化學反應的現象，利用極敏感之光學攝影機來偵測在發炎關節中的活性 氧致使luminol氧化的發光現象(圖10)(W. T. Chen, Tung et al., 2004)。

返國後打算運用所學,從事分子影像的研究。在美國進修的研究內容是以近 紅外線光(near infrared)為攝影工具，從事葉酸接受體標靶近紅外線光學影 像。但是回國之後，一方面因當時國內找不到可用的近紅外線光學攝影機，二方 面光學攝影較難推廣到臨床應用，因近紅外線光在組織內最多與能穿透2-3公分 的厚度。再加上學生本身是放射科醫師，深知磁振造影具備不可限量之開發能 力；故返國後打算朝磁振造影標靶分子影像發展。剛開始的目標，打算從較熟悉 的葉酸接受體磁振造影標靶分子影像著手。

卵巢癌一直是威脅女性的十大癌症之一，過去研究發現，卵巢癌細胞表面會 大量表現葉酸接受體 folate receptor α (Nilsson, Gustavson-Kadaka et al., 1997)，葉酸接受體與葉酸有很強的親合力，而正常卵巢細胞表面不會表現葉酸 接受體。葉酸接受體是一 38-kDa glycosyl phosphatidylinositol -anchored protein， 又可分為 α、β 兩種 isotypes (Miller, Wang et al., 2007)，具 有和葉酸極強的親合力(dissociation constant< 1 nM) (Antony, 1992)，在正 常組織中只有腎臟，胎盤，脈絡叢，甲狀腺及少數 luminal epithelium 有表現 葉酸接受體，而其他組織平時並不表現 (Sudimack & Lee, 2000)。除了卵巢癌 之外，睪丸癌，子宮癌，肺癌與腎臟癌亦會大量表現葉酸接受體(Campbell, Jones et al., 1991; Iwakiri, Sonobe et al., 2008; M. Wu, Gunning et al., 1999;

X. Wu, Jeong et al.)。因葉酸接受體具有和葉酸極強的親合力，這給我們一個 機會可以將診斷顯影劑甚至癌症治療藥物經由接合葉酸而高選擇性的帶到身體

X. Wu, Jeong et al.)。因葉酸接受體具有和葉酸極強的親合力，這給我們一個 機會可以將診斷顯影劑甚至癌症治療藥物經由接合葉酸而高選擇性的帶到身體