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本文聚焦病毒发病机制的分子成像（MI）。详细介绍 MI 技术如核成像、光学成像、磁共振成像及其在病毒研究中的应用，探讨现有及潜在探针，分析挑战与机遇，为研究病毒病理、开发新疗法提供重要参考，助力应对病毒威胁。
分子成像在病毒研究中的重要性
分子成像（MI）作为一种强大的技术，在临床和科研领域发挥着重要作用。它能够实现非侵入性诊断成像、监测治疗反应以及研究疾病进程。在肿瘤学中，MI 已广泛用于监测肿瘤生长、转移和治疗效果。如今，其在传染病研究中的应用也日益广泛，特别是在病毒感染、免疫反应以及病毒与宿主相互作用的研究方面。
传统研究病毒发病机制的方法存在诸多局限性。例如，病毒培养和免疫分析等传统微生物学检测方法往往只能在疾病发展的后期检测到病毒，且具有侵入性，只能提供某个时间点的疾病信息。而 MI 能够获取纵向的全身数据，实时监测病理变化，甚至能在症状出现前检测到异常，为病毒研究带来了新的视角和机遇。
分子成像的类型
- 核成像：核成像包含正电子发射断层扫描（PET）和单光子发射计算机断层扫描（SPECT） 。PET 利用发射正电子的同位素，与电子碰撞产生可检测的湮灭光子，从而重建 3D 图像，常用于检测代谢或血流变化。SPECT 则依赖探针的伽马衰变释放光子，由伽马相机检测。两者常与解剖扫描（如 CT 或 MRI）结合，将探针信号与解剖结构关联。
核成像的优点是检测灵敏度高、潜在探针种类多样且穿透深度大，但也存在空间分辨率较低和使用电离辐射的缺点。此外，PET 放射性同位素的可用性和短半衰期示踪剂的放射化学操作时间限制，以及 SPECT 在多同位素成像时的计算能力限制，都在一定程度上影响了它们的应用。
- 光学成像：光学成像一般分为生物发光成像（BLI）和荧光成像（FLI） 。光学成像具有成本低、无需电离辐射的优势，但组织穿透性较差，更适用于观察靠近皮肤的结构或小型动物。
BLI 通过生物酶促反应产生光，常用于临床前研究，可对疾病进程进行非侵入性监测。FLI 则基于荧光团吸收和发射光子的特性，具有较大斯托克斯位移的荧光团能更易区分激发和发射光子。近红外（NIR）成像可提高组织穿透深度，通过使用激发波长在 780nm 以上的荧光或生物发光剂，实现更深入的组织成像。
- 磁共振成像（MRI）：MRI 利用强磁场和射频脉冲产生信号，通过信号的演变（由弛豫时间T1和T2决定）来生成图像。MRI 的固有对比度取决于组织的T1和T2值、成分和密度。不同材料可作为 MRI 探针，如钆、铁等金属，它们通过影响弛豫时间来增强图像对比度。
MRI 的优点是可同时获取高分辨率的解剖和生理数据，且无电离辐射，但扫描时间较长、灵敏度相对较低，设备设置和运行成本较高。
目前用于病毒分子成像的探针
- 核成像探针
- 单克隆抗体用于直接病毒成像：单克隆抗体（MAbs）具有高度特异性，可针对病毒特定抗原表位。例如，89锆 - VRC01 用于靶向人类免疫缺陷病毒（HIV），能与 HIV 表面糖蛋白 gp120 的保守表位结合，有助于监测 HIV 在体内的存在，特别是在肠道相关淋巴组织（GALT）等病毒储存库中的情况。
- 抗体片段用于成像 T 细胞募集：纳米抗体作为抗体片段，具有较小的尺寸，能更好地穿透组织和清除。如89锆 - VHH - X118 用于研究甲型流感病毒（IAV）感染小鼠模型中 CD8+ T 细胞的迁移，可实时追踪 T 细胞在体内的动态变化，与疾病进展相关联。
- DNA 挽救探针监测活化 T 细胞：[18F] F - AraG 是一种阿拉伯糖基鸟嘌呤类似物，可被活化 T 细胞的 salvage 途径酶脱氧鸟苷激酶（dGK）代谢并积累，从而通过 PET 检测。在研究病毒病理时，可用于监测感染后 T 细胞的活化、迁移和浸润情况，如在 COVID - 19 研究中，发现其在感染患者体内的浓度变化与长期症状相关。
- 肽探针监测 CD8+ T 细胞效应功能：肽基探针具有良好的特异性和较低的免疫原性。以针对颗粒酶 B 的肽探针为例，通过 PET/CT 成像可检测颗粒酶 B 驱动的蛋白水解区域，有助于研究 CD8+ T 细胞的效应功能，不仅能确定其是否存在，还能了解其功能状态。
- TSPO 成像神经炎症：DPA - 714 是一种针对转运体蛋白 18kDa（TSPO）的配体，TSPO 与多种细胞过程相关，在神经炎症和外周组织炎症中表达上调。使用18F - DPA - 714 探针可监测巨噬细胞迁移和炎症状态，在埃博拉病毒（EBOV）感染研究中，发现其在多种免疫细胞中均有结合，可作为整体炎症状态的标志物。
- 炎症的代谢成像：18F 氟脱氧葡萄糖（FDG）是一种常用的葡萄糖特异性 PET 放射性示踪剂，可在代谢活跃的细胞中积累。在病毒感染和炎症研究中，由于免疫细胞募集到炎症区域导致葡萄糖代谢增加，FDG 摄取也相应增加。例如在寨卡病毒（ZIKV）、登革热病毒（DENV）和 COVID - 19 研究中，均发现 FDG 在感染相关组织中的摄取变化，可用于识别病毒诱导的炎症，但因其非特异性，需要严格的对照和生物学确认。
- 光学成像探针
- 单克隆抗体用于病毒光学成像：针对病毒抗原表位的 MAbs 可与荧光基团结合用于光学成像。如 CR3022 针对 SARS - CoV - 2 的刺突蛋白，可对感染组织进行纵向成像，确定病毒感染部位，但受组织穿透性限制，主要用于小动物模型或尸检组织分析。
- 光学蛋白酶激活病毒探针：SARS - CyCD 探针可被 SARS - CoV - 2 特异性蛋白酶（Mpro）激活，实现对病毒感染的实时定量监测。虽然荧光成像的组织穿透深度有限，但在小动物的临床前研究中具有重要价值。
- 量子点用于病毒追踪：量子点（QDs）作为 FLI 成像探针，具有稳定性高、荧光信号不易淬灭等优点。通过标记病毒成分，可实现实时病毒追踪，目前虽主要用于显微镜观察，但在动物模型和临床研究中具有潜在应用价值。
- 基于荧光素酶的探针用于病毒临床前研究：荧光素酶（Luc） - 基于的探针常用于生物发光成像（BLI）研究。可通过创建表达荧光素酶的重组病毒或转基因小鼠来研究病毒感染过程，如在研究人类疱疹病毒（HHVs）的潜伏期和再激活、甲型流感病毒（IAV）感染时 I 型干扰素（IFN）的产生等方面发挥重要作用。
目前肿瘤学中可能用于病毒学的分子成像探针
- 核成像
- 核 Annexin - V 探针成像细胞凋亡：Annexin - V 可与磷脂酰丝氨酸（PS）结合，PS 在细胞凋亡时会重新分布到细胞表面。基于 Annexin - V 的分子成像探针在肿瘤学中用于评估治疗效果，但在病毒感染成像方面的研究较少。像 HIV 和 IAV 等病毒可诱导细胞死亡和 PS 暴露，使用 Annexin - V 探针成像有助于了解病毒感染导致的细胞凋亡水平和免疫反应。
- PET 报告基因和 PET 报告探针用于病毒检测：PET 报告基因（PRG）与 PET 报告探针（PRP）协同作用，使探针在细胞中积累。以单纯疱疹病毒（HSV）的胸苷激酶（TK）系统为例，虽目前未用于直接监测 HSV 感染，但理论上可用于追踪感染细胞，不过 [18F] FHBG 不能穿过血脑屏障，限制了其在脑部病毒感染研究中的应用。
- MRI
- 超顺磁性氧化铁（SPIO）用于免疫细胞追踪：SPIO 作为 MRI 对比剂，可被吞噬细胞摄取，使T2?加权扫描呈现低信号对比。临床上用于肝脏病变成像，在病毒研究中可间接监测吞噬细胞在感染部位的积累，或用于标记免疫细胞和抗体，追踪病毒发病机制。
- 化学交换饱和转移（CEST）探针用于 MRI 大分子追踪：CEST 基于质子交换原理，可检测传统 MRI 难以检测的标志物。GlucoCEST 可用于监测病毒感染引起的炎症，因为许多病毒感染会增加细胞的糖酵解代谢。GluCEST 对谷氨酸（Glu）敏感，谷氨酸是一种重要的神经递质，其在脑部的水平变化可指示多种病理状态，包括病毒感染，如 SARS - CoV - 2、日本脑炎病毒（JEV）和西尼罗河病毒（WNV）感染等。
未来可能的病毒成像探针
- 成像病毒融合：病毒融合是包膜病毒生命周期中的关键步骤，融合肽是分子成像探针的潜在靶点。SARS - CoV - 2 和 IAV 等病毒的融合蛋白在感染过程中会发生构象变化，暴露融合肽。通过设计针对融合肽的探针，如基于 HR2 肽模拟物的 SARS - CoV - 2 探针或针对 IAV 的 HA2 保守疏水口袋的探针，可实现对病毒融合过程的成像。但对于通过内体途径进入细胞的病毒，如 IAV，探针的递送是一个挑战，可通过使用细胞穿透肽（CPPs）来解决。
- 成像病毒解旋酶：解旋酶在病毒核酸复制中起关键作用，针对病毒解旋酶的抑制剂有望开发为分子成像探针。以 HSV 为例，其解旋酶 - 引物酶复合物（HPI）是病毒复制的关键，噻唑类抑制剂阿那米韦可抑制 HSV 和水痘 - 带状疱疹病毒（VZV）的复制。通过对阿那米韦进行修饰，添加信号部分，可将其开发为光学成像探针，但受光学成像分辨率限制，主要适用于动物模型的临床前研究。
- CEST 成像病毒蛋白酶活性：catalyCEST 可用于成像酶的催化活性，通过检测蛋白酶切割后信号的变化来监测酶活性。SARS - CoV - 2 的主要蛋白酶 Mpro 和黄病毒的 NS3 蛋白酶都是理想的靶点。针对 Mpro 设计的 catalyCEST 探针可实现对 SARS - CoV - 2 在体内的定位，同样原理也可应用于其他具有相似酶促反应的病毒家族研究。
结论
分子成像在病毒研究领域具有巨大潜力，尽管目前其在病毒研究中的应用不如在癌症研究中广泛，但已展现出对病毒病理研究的重要价值。现有的多种分子成像技术和探针，无论是直接标记病毒蛋白还是间接监测感染引起的生理变化，都为深入了解病毒感染过程、宿主免疫反应以及病毒触发的免疫病理提供了重要信息。
癌症研究中使用的许多探针也可适用于病毒研究，未来还可针对病毒生命周期中的关键蛋白开发更多直接探针，以获取关于病毒组织嗜性和感染传播的宝贵信息。然而，分子成像在病毒研究中也面临一些挑战，如病毒蛋白表达水平低、病毒利用宿主过程和蛋白逃避检测以及高突变率等问题。但通过选择高度保守的靶点和进行基因监测等策略，可在一定程度上缓解这些问题。
目前大多数探针主要用于临床前研究，未来应加强临床转化，促进临床医生、探针设计者和病毒学家之间的合作，开发更适用于临床的成像技术，以实现对患者疾病严重程度的微创评估，根据治疗对疾病的影响调整治疗方案，为应对已知和新兴病毒威胁提供有力支持。
