特别是缺血性心肌病是危害我国人口健康的重要因素之一，《中国卫生统计年鉴》的数据显示，我国心脑血管疾病现患病人数逾2.9亿，缺血性心肌病患者达1 100万。针对心血管疾病特别是缺血性心肌病早预警、早发现、早诊断和早治疗是目前心血管疾病防治的发展方向。MR分子成像作为分子影像学的重要分支，能从细胞和分子层面进行心脏成像，对阐明缺血性心肌病的发病机制、评价干细胞治疗疗效，甚至预测疾病发展和个体化治疗都有巨大的潜在价值。笔者拟简要介绍MR分子成像技术，并结合MR分子成像在缺血性心肌病方面的应用，主要在干细胞治疗活体示踪、评价心肌血管生成及心肌细胞活性成像等方面进行概述。
一、MR分子成像概述
MR分子成像是指利用MR成像技术进行特异性标记成像，在活体状态下对生物组织的基因表达、代谢活性及生理功能进行定性或定量评价，从而实现疾病的早期诊断、病程的动态监测、治疗的效能评价。与传统的MRI相比，它把非特异性的器官、组织水平的物理成像深化为特异性的基因、细胞水平的分子成像。广义的MR分子成像除了包括标记靶分子成像、报告基因成像外，还包括了MR功能成像、MR波谱成像等。
目前临床及科研常用的分子影像成像设备包括MRI、CT、超声成像、PET、单光子发射计算机体层成像（SPECT）、光学成像等。与其他分子影像系统相比，MR分子成像具有传统MRI无放射损伤、组织分辨率高、多参数多方位成像的特点，分辨率可达10~100 μm，成像不受组织深度的限制，但是MR分子成像的敏感度较低，能探测到的分子浓度最多为μmol/g，较放射学核素成像低数个数量级，这意味着MR分子成像需要更大数量的分子探针聚集于靶向部位才能达到相似的成像效果。因此设计合理有效的高亲和性分子探针、开发磁共振信号放大策略是MR分子成像发展的关键。
二、MR分子成像在心脏成像的应用进展
1．干细胞治疗活体示踪：
再生医学在缺血性心肌病的治疗方面有着巨大的潜力，但是干细胞移植的效果和安全性一直备受争议，目前干细胞移植临床转化的主要困难在于细胞表型的选择，注射细胞的数量、治疗的时间节点和周期选择，以及由于向靶向心肌的运送途径受限导致的心肌内低干细胞聚集率。因此对个体干细胞移植效率、干细胞在体随时间变化规律的研究，可能为以上问题提供参考，以期找到干细胞的最佳注射剂量、注射途径。
超顺磁性氧化铁纳米粒子（superparamagnetic iron oxide nanoparticles，SPION）是目前细胞示踪最常用的MR分子成像标记物，它具有独特的磁化特性、生物兼容性好等优势，是目前唯一应用于临床的干细胞示踪剂。但是SPION标记不能分辨干细胞的活性，以及SPION从标记细胞内释放或细胞分化将导致靶向成像特异性降低。因此近来开发了基于化学交换饱和传递（chemical exchange saturation transfer, CEST）的分子靶向成像，Pumphrey等将铕标记的永生化小鼠成肌细胞通过心肌内注射入心脏后行CEST分子成像，成功示踪了不同时间节点标记细胞的CEST信号对比，并且该CEST信号对比可反映移植细胞存活与否，但是铕属于镧系金属元素，长时间在体内蓄积发生解离后的毒性对生物体影响较大，且研究中CEST信号的采集需要高射频脉冲发射，其临床应用受限。另外，通过转染到细胞中的特异性编码在体蛋白表达的报告基因也逐步应用于细胞示踪领域。最普遍的方法是在细胞内导入与铁代谢相关的基因使其高表达，如转铁蛋白和铁蛋白，这些高表达的膜蛋白可以特异性与SPION结合改变T2弛豫效能，或者直接或间接引起CEST对比，从而实现靶向成像。Naumova等对比了外源性SPION和内源性高表达铁蛋白对MR细胞示踪的效率，发现两种方法都成功示踪了小鼠成肌细胞，但是SPION标记不能区别小鼠成肌细胞的活性，而铁蛋白标记只在有活性的小鼠成肌细胞才能成像。但是报告基因仅应用于研究领域，且成像效率较低，技术相对复杂。近几年多模态成像逐渐成为干细胞示踪的新热点，斯坦福大学的研究人员利用多模态三重融合（triple fusion，TF）的报告基因和超氧化铁纳米颗粒标记骨髓基质细胞，并经心内移植入猪的心脏，MRI和PET发现移植的标记骨髓基质细胞数量与MRI信号呈正相关关系，标记骨髓基质细胞最低检测数量为1.5×107个。多模态分子成像结合了多种影像检查方法的优势，利用MRI实时动态检测干细胞在体内的迁移、分布，同时可检测心脏功能、心肌活力和灌注，而PET可连续监测干细胞存活与否。
2．评价心肌血管生成：
尽管冠状动脉旁路移植术或介入手术等传统治疗手段已大大减少了的患病率和病死率，但仍有相当一部分患者不能从中受益，因此临床推动基础研究开发干细胞移植、血管生成因子、基因治疗等新型血管再生治疗策略。新生血管的生成是一个复杂的过程，涉及内皮细胞的增殖和迁移、细胞外基质分解和合成、巨噬细胞的聚集、平滑肌细胞增殖等。心肌组织早期缺氧可刺激血管生成，形成侧支血管供应缺血组织，但血管生成也与某些疾病过程有关，比如新生血管可能增加动脉粥样硬化冠状动脉的斑块易感性。对心肌血管的分子成像，有助于阐明心肌病病理生理基础，评价新型血管再生治疗策略的有效性。血管生成的成像靶标包括αvβ3整合素和血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）受体，其中在新生血管内皮细胞中高表达的生物标记物整合素标记顺磁性纳米颗粒的磁共振分子成像在动物模型应用已经比较成熟，但是靶向整合素评价心肌血管生成的特异性较低，因为整合素不仅仅代表血管生成，还能代表肌成纤维细胞和白细胞的活性，因此其他血管生成相关靶标也不断开发并应用于心脏MR分子影像领域。VEGF是一种高度特异性的促血管内皮细胞生长因子，其受体可能是血管生成成像的良好靶标。其他血管生成相关因子，如细胞粘附因子、纤维蛋白等也被用于心血管MR分子成像。研究人员使用能特异性与人血管细胞黏附因子-1结合的抗体片段标记SPION，发现在、急性肾脏损伤、慢性肾脏损伤、系统性炎症反应等多种动物疾病模型的心脏MR成像上，该分子靶向对比剂能引起心脏组织特异性的信号减低，而未链接与人血管细胞黏附因子-1结合的抗体片段的对照组MR剂则没有出现明显的信号减低。
3．心肌细胞pH代谢成像：
pH值在人体稳态有重要价值，心肌缺血缺氧将导致心肌细胞内线粒体缺氧，发生无氧糖酵解；随后磷酸肌酸降解，使细胞内酸性物质大量增加，细胞内pH明显减低。缺血后期，长期严重的心肌缺血缺氧使细胞内pH持续下降，细胞内外离子浓度稳态被破坏，最后，心肌痉挛僵硬，收缩及舒张功能受损，心肌坏死。有基础体外研究显示，与正常心肌相比（pH=7.4），缺血心肌在缺血发生后的数分钟内pH值就明显减低，可降低至6.4，并且梗死核心区域、梗死周围区域和正常心肌的pH呈明显的梯度改变。目前基于心肌pH代谢改变的MR分子成像手段主要有MR波谱分析和CEST成像。MR波谱分析是目前唯一应用于临床、无需外源放射性示踪剂且无创评价心肌能量代谢的检查手段，它可使用磷谱、氢谱和碳谱对心肌代谢物进行定性和半定量分析，但是受制于其本身的物理特性，MR波谱采集的信号可比传统MR成像信号低103~106倍，因此其空间分辨率（约30 ml）和时间分辨率（ 15 min）明显低于普通MRI技术，测量差异大（ 15%），技术和设备限制大，心脏MR波谱的突破在于提高波谱信号。英国剑桥大学的研究团队最近利用超极化13CMR评价心肌缺血再灌注后心肌代谢产物的改变，离体实验证实，离体心脏的苹果酸在缺血再灌注45 min后明显增加，比基线值增加了2.7倍，并且缺血1 d后心肌的苹果酸含量比对照组增加82倍，同时大动物试验也证实在心肌缺血再灌注后3 d和7 d，缺血心肌的乳酸和苹果酸信号明显增加，但是该研究团队并没有直接提供心肌pH相关信息，且对乳酸和苹果酸为半定量评价，组织分辨率较低。基于CEST的酰胺质子转移MR成像技术可敏感反映心肌组织的肌酸激酶系统代谢改变，相对MR波谱分析的空间分辨率和敏感度更高。研究人员改革了CEST心脏序列，扫描时长相对缩短，受呼吸和心脏搏动影响小，可更灵敏地检测到慢性心肌缺血动物模型的梗死心肌、梗死周围心肌以及正常心肌的CEST信号差异，并且动物和临床研究发现CEST低信号心肌范围与延迟强化的心肌可相互对应。CEST成像在pH代谢评价方面主要利用了CEST的氨基质子转移技术，目前已广泛应用于脑缺血的pH值、乳酸等相关代谢产物的定性定量评价，也逐渐应用于其他器官如肾脏等的pH评价。但在心脏pH评价方面尚无相关报道，心脏pH评价的氨基质子转移技术需要突破序列优化和后处理软件编程的瓶颈。
综上所述，MR分子成像无放射损伤，组织和空间分辨率高，能对心肌组织的分子影像学特征进行精准定位、定量评价，目前的基础和临床研究主要是开发安全、特异、敏感的分子靶向探针，探索更加敏感、高效的信号放大系统以提高MR分子成像的敏感度，优化和研发长期、无毒、特异的干细胞示踪成像手段。以期在不影响活体生理功能的基础上，实现敏感、特异的心脏MR分子成像，为缺血性心肌病的病理生理发展、干细胞治疗示踪和疗效评价提供更加全面、准确的信息。
