应用分子影像对肾脏疾病进行分子示踪诊断和分子靶向治疗的研究进展
周涵余雅真张炯
(南京医科大学金陵临床医学院(东部战区总医院)国家肾脏疾病临床医学研究中心,南京 210016)
DOI:10.3969/j.issn.1671-2390.2025.11.011
摘 要 慢性肾脏病(chronic kidney disease,CKD)是全球性公共卫生问题,现有研究表明早期诊断和干预有助于延缓CKD进展,因此,探索开发、应用临床实用的早期CKD预警诊断手段及诊疗方法具有重要临床意义。CKD患者肾功能水平与肾脏组织学改变,尤其是纤维化等慢性病变密切相关,近几年分子影像已经在实体肿瘤及心脏、肝脏纤维化病变方面有所突破,给分子影像在肾脏疾病领域的研究提供了可行性基础,为肾脏病无创诊断技术和精准治疗等创新领域提供了价值导向。由此,本文主要围绕肾脏疾病领域新型影像技术中分子示踪诊断和分子靶向治疗的研究进展进行综述。
关键词 肾脏疾病;医学分子影像;靶向治疗;示踪
一、 早期诊断和干预有助于延缓慢性肾脏病进展
1. CKD早期诊断和干预的意义
慢性肾脏病(chronic kidney disease,CKD)在全球范围内的患病率高,但知晓率却相对较低。目前全球一般人群的CKD患病率已高达14.3%,中国18岁以上人群患病率也达到10.8%[1]。早期诊断有助于提高患者对疾病的认识,从而采取相应的治疗和管理措施。CKD的病因多样,起病隐匿,早期症状轻微甚至无明显症状,且不同个体疾病进展速度差异较大。早期诊断与干预可以控制病情,甚至有可能逆转病变,避免疾病进展至终末期肾病(end-stage kidney disease,ESKD),同时也降低心血管事件等并发症的发生风险。再者,早期诊断和治疗有助于患者提高对疾病的认知,进而及时调整生活方式和心态,改善疾病预后[2]。此外,从社会层面来看,CKD晚期治疗费用昂贵,给患者家庭和社会带来沉重经济负担,早期诊断和干预可以延缓疾病进展,减少医疗费用。早期诊断的推广也有助于提高公共卫生决策者对CKD的认知,从而制定相应的预防和控制策略,提高社会群体健康水平[1]。
2. CKD早期诊断评估方法
根据改善全球肾脏病预后组织(Kidney Disease: Improving Global Outcomes,KDIGO)指南,CKD指肾脏结构和功能异常持续时间≥3个月,且对健康产生影响的疾病。KDIGO 2012指南建议通过病因、肾小球滤过率(glomerular filtration rate,GFR)和尿白蛋白/肌酐比值(urinary albumin-to-creatinine ratio,UACR)对CKD患者进行诊断与分期,同时结合GFR分期和尿白蛋白分级进行预后危险分层[3]。最新的KDIGO 2024指南则进一步强调了使用尿白蛋白水平和GFR评估来检测CKD风险人群的重要性,提出了早期发现、治疗CKD并降低其进展风险的策略;而在CKD的分期方面,指南推荐使用基于血肌酐(serum creatinine,Scr)的估算肾小球滤过率(estimated glomerular filtration rate,eGFR)评估成人CKD风险,对于有CKD风险的成人建议使用结合Scr和胱抑素C(cystatin C,Cys C)的eGFR来提高评估的准确性[4]。
综上所述,CKD的风险筛查、早期干预及并发症管理,均需以肾功能的准确评估及预后预测作为参考。目前临床常用的肾功能评估指标包括Scr、GFR、尿蛋白、尿素氮、Cys C等[5],GFR的测定方法主要有肾功能显像(emission computed tomography,ECT)测定法和基于Scr参数的eGFR评估公式等,但由于内生Scr的波动性较大,且GFR和尿蛋白均无法特异性反映肾脏组织病理改变,其具有一定的局限性。此外,目前临床判断CKD肾脏慢性化病变的金标准仍旧是肾活检组织形态学分析[6],但是肾活检术取材局限,难以全面反映肾组织病变,且属有创性操作,不利于重复观察和随访病情变化。因此,为了实现对CKD人群更方便、准确的肾功能监测与评估,开发更多更好的肾功能评估方法势在必行。
二、 肾脏分子影像对CKD的评估、预测及治疗
近年来,临床医学、分子生物学、医学影像学等学科交叉融合,开创出诸多创新的诊疗手段,为临床疾病的研究进展提供了新思路和新方向。分子影像是近几年的热点领域,分子影像将无创影像技术与分子探针或造影剂相结合,以检测和量化特定的生理或病理生理过程。它能够在全身或整个器官水平靶向检测细胞、亚细胞或分子靶点,为疾病诊断、分期及治疗反应监测提供支持[7]。建立分子影像方法过程如图1所示[8]。
图 1 分子影像方法的建立过程Fig 1 Establishment of a molecular imaging approach
分子影像可用于临床疾病诊断、预后评估和治疗监测,包括光学成像、磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)、正电子发射断层扫描(positron emission tomography,PET)、单光子发射计算机断层扫描(single-photon emission computed tomography,SPECT)和计算机断层扫描(computed tomography,CT)等多种技术手段。对于体内细胞成像,可通过直接和间接标记方法处理某些细胞(如癌细胞、免疫细胞、干细胞),以监测细胞迁移、细胞活性和细胞功能效应。通过分子影像可通过实现多种临床目标,助力肾脏病领域精准医学的落地,例如为临床试验提供评估疗效的特定靶点、筛选可经治疗受益的患者、临床药物研发和测试,还可通过持续无创监测疾病的进展来预测和改善患者预后[9]。(图2)
图2 肾脏分子影像在肾脏疾病临床研究和患者管理中的应用Fig 2 Application of renal molecular imaging in clinical research and patient management of renal diseases
注:ECM为细胞外基质。
目前体内非侵入性分子影像已在肿瘤、心脏、肝脏等器官疾病领域取得一定的成果,例如结合CT、MRI、PET的多模态分子影像模式已应用于肝纤维化的诊断、分级、定量及治疗监测[10]。近年来心脏MRI也在心血管系统疾病的无创性评估中发挥了重要作用,其主要成像方法包括心肌组织学特征成像、特征追踪技术、定量灌注成像、扩散加权成像和扩散张量成像等,现已逐渐广泛地用于缺血性心脏病、非缺血性心脏病、大血管疾病等多种心血管疾病的临床诊断和预后评估[11]。与心脏、肝脏等实体器官类似,肾脏组织水平的分子影像探索也逐步受到关注,目前,分子影像已成为肾脏疾病无创诊断和精准治疗等前沿领域的热点研究方向[12]。
(一) 分子影像在CKD诊断和预后分析方面的应用
1. 针对细胞外基质(extracellular matrix,ECM)成分的分子影像
CKD患病率高且病因复杂,肾组织病理分型也存在显著差异,但既往研究证实,以ECM过度沉积为特征的肾间质纤维化是CKD进展的最佳预测指标[13]。针对这一特征性病理改变,目前已有多项分子影像的试验性探索。
胶原结合蛋白片段CNA35与形成纤维的胶原结合,但不与层粘连蛋白、弹性蛋白和纤维连接蛋白等ECM成分结合,已被证实有望用于心血管纤维化的检测[14]。在此背景下,Baues等[15]首先在小鼠单侧输尿管梗阻模型中发现CNA35在纤维化肾脏中的累积水平显著高于健康肾脏,其染色模式清晰反映了与血管周围纤维性胶原的结合,该团队进一步在CKD患者肾活检组织中验证了这一发现,提示基于CNA35的胶原蛋白成像可无创地显示肾脏间质和血管周围纤维化病变。
同样针对胶原蛋白,Chen等[16]发现基于胶原形成的烯赖氨酸靶向探针Gd-OA的MRI可在遗传性肾炎和肾毒性肾小球肾炎的动物模型中靶向至纤维化肾组织的胶原蛋白,进而实现动物模型早期肾纤维化病变的量化,有望成为肾纤维化检测和分期的有效工具。而针对纤维化的核心驱动细胞,成纤维细胞,Zhou等[17]通过新型PET示踪剂[68Ga]Ga-成纤维细胞激活蛋白抑制剂-04,可特异性靶向肾纤维化过程中高表达的成纤维细胞激活蛋白。结果显示,相较于有创肾穿刺,该无创成像方法可快速评估CKD患者双侧肾脏状况,灵敏度高,且对中重度肾纤维化患者的识别可能优于其他检查方法。
与此类似的还有弹性蛋白,其在健康肾脏中基本缺失,而在纤维化肾脏中动态上调。基于此,Sun等[18]在多种肾脏纤维化动物模型及CKD患者样本中发现,弹性蛋白在肾间质以及血管周围过表达,并与间质纤维化组织的典型成分(纤维连接蛋白和Ⅰ型和Ⅲ型胶原)共定位。该团队进一步验证,基于弹性蛋白特异性MRI弹性蛋白/原弹性蛋白特异性造影剂的分子MRI能够可视化和量化弹性蛋白的表达,从而对肾纤维化进行无创性的定量和纵向评估。
另外,由于系膜细胞基质扩张是糖尿病肾脏疾病甚至所有CKD患者的组织学特征,而目前缺乏对系膜细胞功能敏感的影像学、血清或尿液生物标志物。由此,Qin等[19]提出通过靶向系膜细胞表面CD206受体的放射性药物tilmanocept对DKD小鼠系膜细胞功能进行分子成像,证实了该受体对肾小球系膜细胞的介导作用以及tilmanocept对CKD的动力学敏感性。因此,通过放射性标记tilmanocept的PET或SPECT肾显像可能提供CKD患者肾小球功能的无创定量评估。
2. 其他的新型分子影像技术
近年来,铁死亡在抗肿瘤药物导致的急性肾损伤(acute kidney injury,AKI)中已被明确证实,但铁死亡的特异性监测工具仍有待探索。Zeng等[20]基于青蒿素分子与Fe(II)的自由基形成反应设计了靶向铁死亡的Art-Gd探针,从而对铁死亡进行特异性的对比增强磁共振成像(ferumoxytol-enhanced magnetic resonance imaging,feMRI)。小鼠体内实验显示,该技术在抗癌药物诱导的AKI的早期诊断中具有显著可行性,其诊断时间比评估AKI的标准临床试验提前至少48 h。此外,feMRI能够提供不同机制铁死亡抑制剂(阻断脂质过氧化或消耗铁离子)的分子成像证据。故Art-Gd探针可作为研究铁死亡过程的通用工具,从分子成像层面为包括AKI在内的多种铁死亡相关疾病的早期诊断和治疗提供技术支持。
光学成像在肾脏疾病也有广泛的研究应用,但目前报道的光学显像剂在早期识别AKI或CKD方面仍存在局限性,主要局限于灵敏度低、组织穿透性差、背景干扰明显。Tan等[21]开发了一种荧光纳米探针(BOD-Ⅱ-NAG-NP),肾脏疾病的标志物尿N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶(N-acetyl-β-D-Glucosaminidase,NAG)能够特异性激活BOD-Ⅱ-NAG-NP释放近红外二区(Near-infrared-Ⅱ,NIR-Ⅱ)荧光信号,从而实现活体小鼠肾脏功能的体内成像。在试验中,糖尿病肾脏疾病小鼠肾脏的NIR-Ⅱ荧光信号与其NIR-Ⅰ荧光信号以及正常小鼠肾脏的荧光信号均有显著差异,且与肾活检病理结果一致,提示BOD-II-NAG-NP更适合于CKD中NAG的特异性检测,有望成为CKD的潜在诊断方法。
MRI技术具有为肾脏提供结构和功能信息的潜力。一项新的分子影像技术通过利用靶向内源性铁蛋白的超顺磁性纳米颗粒(superparamagnetic iron oxide nanoparticles,SPIONs)对肾单位进行三维成像,可以定量评估肾小球的数量、形态和体积,精准检测肾脏微观结构和功能变化,为CKD的早期发现、诊断及其进展风险降低提供了技术支撑[22]。
此外,化学交换饱和转移(chemical exchange saturation transfer,CEST)成像是一种新型分子MRI技术,Shin等[23]设计了一种多参数CEST和磁化转移定量(quantitative magnetization transfer,qMT)方法,应用于顺铂和马兜铃酸诱导两种不同的小鼠AKI、CKD模型,结果显示CEST和qMT的参数变化可反映不同类型的肾脏组织学改变,表明其在无创表征不同肾脏疾病的病理生理方面具有潜力。
(二) 分子影像在肾脏疾病治疗方面的应用
1. 干细胞分子影像
在CKD的精准治疗中,分子影像发挥着重要的作用。例如,间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)是一类源于成人多种组织的异质性细胞群,由于其免疫调节和再生特性,以及易于分离和体外扩增的特点,已被广泛应用于细胞治疗。因此,为了解干细胞治疗的过程和潜力,需监测移植后干细胞的存活、活力、整合、归巢和分化状态,由此开展了干细胞成像和示踪技术[24]。
MSCs可分泌细胞因子和趋化因子,抑制局部免疫反应、细胞凋亡和纤维化进程。多项研究使用SPIONs作为MRI造影剂标记MSCs,以实现干细胞移植后器官中细胞的归巢的无创监测。使用SPIONs涂装的MSCs具有无创、无毒及特异性,可在体内给药后通过MRI检测评价干细胞的迁移、分布和归巢情况,是一种理想的集细胞治疗和体内细胞追踪一体的方法[25]。
同时,在光学成像方面,近红外荧光标记是一个良好的选择,在Han等[26]的研究中,利用近红外标记了HA水凝胶包裹的MSCs化合物,连续性体内光学成像提示其持续定位于小鼠缺血肾脏,研究最终证实了HA水凝胶协助递送对于改善干细胞对损伤组织的定位并减少尿NGAL和肾纤维化标志物的作用。
2. 细胞外囊泡的分子影像
有研究表明,MSCs的治疗作用并非来自其直接分化为新细胞的能力,而是通过释放具有再生特性的可溶性因子和细胞外囊泡(extracellular vesicles,EVs)达成[27]。目前已有不同的方法来可视化EVs,如近红外分子是EVs非侵入性可视化跟踪的有力工具,其具有较高的组织穿透性且背景型号低,这类染料已用于EVs体外检测。更进一步,Grange等[28]比较了近红外染料标记EVs的两种方法:用染料标记MSC间接生成标记的EVs和直接用染料标记纯化的EVs,结果提示后者对损伤肾组织显示出更大的特异性。
而在SPECT/CT成像方面,Lu等[29]证实可通过111Inoxine放射性标记WJ-MSC-EVs,可实现小鼠模型的体内成像和定量分析。这种简单快速的标记方法可保留WJ-MSC-EVs的特性,且实验发现未经EDTA螯合制备的111In – EVs可使EVs在肾脏的特异性信号积累明显提高。
缺氧是肾脏疾病的重要诱因,基于此,Cheng等[30]制备了一种纳米级低氧敏感共组装体(Pc/C5A@EVs)靶向缺氧肾,可在实现缺氧敏感成像的同时减轻细胞凋亡、抑制肾纤维化和缓解小管间质炎症,从而显著恢复受损肾功能。
另外,类似于对MSCs的标记,SPIONs也可用于制备磁性EVs,从而对全身注射的治疗性EVs进行特异敏感的 MRI跟踪。通过在肾损伤和心肌缺血的不同动物模型上的实验,Han等[31]证实了iPSC衍生的EVs优先积累在组织损伤部位,且给予实质性保护。
三 总结与展望
早期诊断和干预措施对延缓CKD进展具有重要意义,但目前仍缺乏安全有效的、能够特异性评估肾脏疾病状态的非侵入性手段。本文总结了分子影像示踪和靶向治疗在CKD管理中的潜在价值,即分子影像不仅可以监测肾脏疾病进展,还可以促进新型靶向治疗的研发。
目前大多数分子影像方法尚未从试验模型转化为实际临床应用,主要面临两大挑战:一方面,较多分子探针从肾脏清除,造成肾脏高且非特异性的信号背景,增加了特异性成像的难度;另一方面,开发对肾脏病理生理改变更具特异性的分子探针充满了挑战性。为了促进肾脏疾病分子影像的进步,未来需要临床、影像、分子生物、药学等学科开展更密切的合作,推动肾脏病领域无创诊断和精准医疗的进一步发展。
利益冲突声明
所有作者均声明没有利益冲突
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Research progress on molecular imaging for molecular tracing diagnosis and molecular targeted therapy for kidney diseases
Zhou HanYu Ya-zhenZhang Jiong
(National Clinical Research Center for Kidney Disease, Jinling Clinical Medical College, Nanjing Medical University (General Hospital of Eastern Theater Command), Nanjing 210016, China)
Abstract: Chronic kidney disease (CKD) is a global public health issue. Existing research indicates that early diagnosis and intervention of CKD can help slow down its progression. Therefore, exploring and developing clinically practical early warning diagnostic tools and treatment methods for early CKD holds significant clinical importance. The level of renal function in CKD patients is closely linked to histological changes in the kidney, particularly chronic renal lesions like fibrosis. In recent years, molecular imaging has achieved breakthroughs in solid tumors and cardiac and hepatic fibrosis, laying a feasible foundation for research in the field of molecular imaging in kidney diseases. This provides valuable guidance for innovative areas, such as non-invasive diagnostic techniques and precision treatment for kidney diseases. Therefore, this article primarily reviewed the research progress in novel imaging technologies, including molecular tracing diagnosis and molecular targeted therapy, for the clinical management of kidney diseases.
Keywords: Kidney diseases;Medical molecular imaging;Targeted therapy;Tracing
引用本文: 周涵,余雅真,张炯.应用分子影像对肾脏疾病进行分子示踪诊断和分子靶向治疗的研究进展[J].临床肾脏病杂志,2025,25(11):985-989. (Zhou Han,Yu Ya-zhen,Zhang Jiong.Research progress on molecular imaging for molecular tracing diagnosis and molecular targeted therapy for kidney diseases[J].Journal of Clinical Nephrology,2025,25(11):985-989.)
通讯作者:张炯,Email:jiongzhang@live.com
基金信息: 东部战区总医院临床专硕研究课题(22LCYY-XH7);江苏省卫生健康委医学科研重点项目(K2024051)
文章编号:1671-2390(2025)11-0985-05
收稿日期:2024-11-21
出版日期:2025-11-28
网刊发布日期:2025-11-26