02-1³í´Ü-¹ÎÁ¤Áß
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1 Tel / Fax / . jjmin@chonnam.ac.kr (molecular biology), (cell biology) (non-invasive in vivo imaging) / (1-4). (fluorescence), (bioluminescence), SPECT, PET, MRI,, / ( 1). (translational research). [ 18 F]-FDG ([ 18 F]2-deoxy-2-fluoro-D-glucose) PET. (molecular photonic imaging) (photon) (PET), (optical imaging). 1. multimodal molecular imaging. PET, CT, MRI, micropet, microct, animal MRI, high frequency US bioluminescence system, fluorescence sytem. (1) PET ( ) / 21
2 PET (specific marker).,, natural biological molecule,, molecular probe, reporter probe, marker, tracer. PET, molecule. probe PET, ( 2). [ 18 F]2-deoxy- 2-fluoro-D-glucose (FDG) fluorine-18 ( 18 F). PET 18 F FDG, probe (intravascular compartment) (extravascular compartment) (intracellular compartment). FDG, (glucose transporter) hexokinase II. FDG hexokinase II, hexokinase II. FDG 18 F. (annihilation event), 511 kev 180. (scintillation crystal) (photomultiplier tube) PET. (annihilation event) (coincident event). PET (50,000~100,000). FDG, filtered-back projection (attenuation correction).,,, FDG. PET 18 F 11 C, 15 O, 13 N, 14 O, 64 Cu, 62 Cu, 124 I, 82 Rb, 68 Ga, 76 Br. (cyclotron), ( 18 F 110 ).. PET micropet. PET 6 3 ~8 3 mm 3, PET ~3 3 mm 3. micropet ~2 3 mm 3, ~1 3 mm 3 micropet. PET ~10-12 M/L. MRI 10-4 ~10-5 M/L., (optical image). PET PET 2. PET 22
3 ,, (5). (2) In Vivo (In Vivo Optical Imaging) in vitro ex vivo, luminometer. in vivo imaging. bioluminescence (targeted bioluminescence probe), (nearinfrared fluorochrome), (activatable near-infrared fluorochrome), (red-shifted fluorescence protein)...,. (charged coupled device, CCD). silicon-based detector nm, 2-3 ev CCD. CCD. CCD CCD chip thermal noise. Thermal noise CCD chip 20 C 10, CCD -120~-150 C (cooled CCD)., CCD. CCD (1). CCD.,.,,., cooled CCD 2. rotating CCD, single CCD volumetric image. CCD PM tube (6). 1) In Vivo Bioluminescence in vivo bioluminescence (, bacteria,,, ) (luciferase). luciferase,,,, 3. Bioluminescence /. Firefly luciferase (fluc) Luciferase D-luciferin. fluc D-luciferin. fluc. 23
4 , ATP.. luciferase.,, - ( 3). luciferase mammalian tissue. 600nm,., 600~1100nm. luciferase Photinus Pyralis firefly luciferase (Fluc), 560nm 600nm in vivo. Fluc D-luciferin oxyluciferin.,, ATP (7). bioluminescence -. (1) Fluc (external light excitation), D-luciferin, ATP,,. (2) D-luciferin turnover (T 1/2 =3h). (3). Fluc. 2) In Vivo Fluorescence Fluorescence (395~600nm), CCD. (, green fluorescence protein; GFP) in vivo. GFP 395nm 509nm. GFP EGFP (enhanced GFP) GFP 35. Coral discosoma red fluorescence protein (RFP) 558nm 583nm. Bioluminescence fluorescence autofluorescence. in vivo (1, 7). (Near-infrared fluorescent dye) Fluorescence protein, fluorescent dye in vivo. 700~900nm.,, (600~1000nm). Weissleder dye. Cathepsin B & H, matrix metalloprotease-2 (MMP-2) (8, 9). Fluorophores GFP RFP Cy5.5 ICG (indocyanine green) (excitation wavelength) nm nm nm nm (emission wavelength) nm nm nm nm 24
5 (1) (reporter gene). chloramphenicol acetyl transferase (CAT), alkaline phosphatase, α-galactosidase (lac Z).,,,,. green fluorescent protein (GFP) luciferase.,. PET,,. (reporter probe) (reporter gene) (10, 11). (2) /. 1). 2). 3). 4). 5). (.) 6). 7). 8). 9). ( 7 Kb.) 10). 11) mrna/. 12),. /.,. /. (3) PET 1) Cytosine deaminase Cytosine deaminase (CD) cytosine uracil. CD cytosine uracil. CD 5-25
6 fluorocytosine 5-fluorouracil CD 5-fluorocytosine. CD 6-[ 3 H]-5-fluorocytosine CD (human glioblastoma) 6-[ 3 H]-5-fluorouracil. 6-[ 3 H]-5-fluorocytosine. CD (10).. HSV1-TK, thymidine ( ; 5-iodo- 2-fluoro-2-deoxy-1-â-D-arabinofuranosyl-5-iodouracil (FIAU)) acyclogunosine ( ; 9-(4-[ 18 F]-fluoro-3-hydroxymethylbutyl)-guanine ([ 18 F]FHBG)) ( 4). HSV1-TK. Thymidine FIAU [ 131 I] [ 124 I], HSV1-TK 2) Herpes-simplex virus type-1 thymidine kinase thymidine kinase. ATP deoxythymidine deoxythymidine monophosphate (dtmp). (herpes simplex virus) thymidine kinase (herpes simplex virus thymidine kinase, HSV-TK) ( HSV1-TK, HSV1-tk.). thymidine kinase thymidine kinase deoxythymidine,. (12). Acyclovir (9-(2-hydroxyethoxymethyl)guanine) HSV- TK. HSV-TK acyclovir monophosphate guanylate kinase acyclovir diphosphate, acyclovir triphosphate. Acyclovir triphosphate DNA DNA DNA polymerase DNA. HSV1-TK gancyclovir (9-[[2-hydroxy-1-(hydroxymethyl)ethoxy] methyl]guanine) pencyclovir (9-(4-hydroxy-3-hydroxymethylbutyl)guanine). HSV1- tk, 4. HSV-tk TdR (thymidine), 5-methyluracil-2 -deoxyribose; FIAU, 2 -fluoro-2 -deoxy-b-d-arabinofuranosyl-5-iodouracil; FIRU, 2 -fluoro-2 -deoxy-5-iodo-1-b-d-ribofuranosyl-uracil; FMAU, 2 -fluoro-2 -deoxy-5-methyl-1-b-d-arabinofuranosyluracil; FEAU, 2 -fluoro-2 -deoxyarabinofuranosyl-5-ethyluracil; IVFRU, 2 -fluoro-2 -deoxy-5-iodovinyl-1-b-ribofuranosyl-uracil; IUdR, 2 -deoxy-5-iodo-1-b-d-ribofuranosyl-uracil; ACV, 9-[(2-hydroxy-1-ethoxy)methyl]guanine (acyclovir); GCV, 9-[(2-hydroxy-1-(hydroxymethyl)ethoxy)methyl]guanine (ganciclovir); PCV, 9-[4-hydroxy-3-(hydroxymethyl)butyl]guanine (penciclovir); FGCV, 8-fluoro-9-[(2-hydroxy-1-(hydroxymethyl)ethoxy)methyl] guanine (fluoroganciclovir); FPCV, 8-fluoro-9-[4-hydroxy-3-(hydroxymethyl)butyl]guanine (fluoropenciclovir); FHPG, 9-[(3-fluoro-1-hydroxy-2-propoxy)methyl]guanine; FHBG, 9-(4-fluoro-3-hydroxymethylbutyl)guanine. 26
7 . HSV1-tk [ 124 I]FIAU. FIAU acycloguanosine derivatives HSV1-TK, TK (13, 14). Acycloguanosine acyclovir (ACV) ganciclovir (GCV), penciclovir (PCV) HSV1-TK, PCV [ 18 F] [ 18 F]FHBG (15, 16). HSV1-tk HSV1-sr39tk acycloguanosine HSV1-tk FIAU (17). 3) -2-2 (dopamine-2 receptor, D 2 R) striatum. D2R D 2 R 3-(2-[ 18 F]-fluoroethyl)spiperone ([18F]FESP) PET, [ 123 I]iodobenzamine SPECT (18). PET / D 2 R [ 18 F]FESP D 2 R mrna.. (19). D 2 R G (G gycoprotein coupled receptor, GPCR) (secondary messenger) protein kinase.. 4) Human type 2 somatostatin receptor (hsstr2) hsstr2. [ 111 In]Octreotide, [ 99m Tc]P829, and [ 99m Tc]P2045, hsstr2 [ 99m Tc]P2045 (20). 5) Sodium/iodide symporter sodium/iodide symporter (NIS). ([ 123 I], [ 131 I]) [ 99m Tc]pertechnetate.., NIS (21). (4) (Optical Imaging) 1) Firefly luciferase luciferase Photinus Pyralis firefly luciferase (Fluc), 560nm 600nm in vivo. Fluc D-luciferin oxyluciferin.,, ATP. Fluc -, in vivo luciferin 20.,,, 1. ATP (22). 2) Renilla luciferase renillar reniformis Fluc luciferase renilla luciferase (Rluc) 27
8 . coelenterazine enthalpy. Fluc,, ATP, ATP. Fluc - in vivo. coelenterazine. 480 nm, 600 nm (23, 24). 3) Gaussia luciferase Gausia princeps renilla luciferase luciferase (25). Gaussia luciferase (Gluc). Gluc Rluc coelenterazine. (quantum yield) Rluc 200 Fluc, Rluc 480 nm. 4) Bacterial luciferase Vibrio harveyi, Vibrio fischeri, Photorhabdus luminescens lux A, B, C, D, E (operon) lux A, lux B bacterial luciferase lux C, lux D, lux E fatty acid reductase enzyme complex. reduced flavin mononucleotide (FMNH 2 ) 490 nm. luciferase, bacterial operon (26). 5) Green fluorescence protein Green fluorescence protein (GFP) Aequorea victoria. cofactor (excitation wavelength), nm nm.?,, GFP. GFP (27). 6) Red fluorescence protein R. Tsien discosoma DsRed DNA nm nm. 600nm. DsRed tetramer monomeric red flurescence protein (28). (1). 1) PET SPECT, 2) MRI, 3) PET ( 5) (29). 1) (I-124, Cu- 64, In-111, I-123, Tc-99m ), SPECT, PET.,,., 28
9 , 48 75%.,,. 2) MRI MRI. MRI,.,,, 2., MRI, (30). 3) PET,.,.,,,., (31). (2) Bacterial luciferase in vivo (In Vivo 5.. ( ) In-111.,. ( ) MRI.. ( ) firefly luciferase PET HSV1-tk, PET.. Imaging of Light-Emitting Bacteria) In vivo bioluminescence. bacterial luciferase (Lux) soil bacterium Photorhabdus luminescens lux operon. lux operon 5, lux A, B luciferase, lux C, D, E 3. firefly luciferase. lux 500nm. (light-emitting bacteria),. lux operon. 29
10 1) IRES (IRES based approach) internal ribosomal entry sites (IRES)... IRES. 6.. lux, 6. GFP. H&E (A) Gram (B), DAPI, Texas red F-actin (C-H) 1 (C, D), 5 (E, F), 7 (G, H). (C, E, G; 600 D, F, H; 1200 ), ( 6) (26, 32). 2) (Fusion gene approach) (fusion gene).,. 3) (Dual-promoter approach). IRES,,. (3) (Imaging Gene Therapy). ( 7).. (33). 4) (Co-administration approach).,.. 5) (Bidirectional transcriptional approach) Tetracycline-responsive element (TRE) minimal 30
11 7. 5 CMV. TRE rtetr-vp16 transactivator, rtetr-vp16 tetracycline doxycycline TRE. IRES,., (imaging of bi-directional inducible gene expression). (4) (Imaging Transcriptional Regulation) constitutive promoter CMV... Green. (endogenous gene) 8. 2 (Two-step transcriptional amplification system, TSTA).. GAL-4/VP-16 GAL GAL-4/VP-16. GAL-4/VP-16 2 GAL-4 VP-16. (, CEA, PSA, p53) (34). /. (transcription activation domain) VP16 DNA GAL4, GAL4 2 (Two step transcriptional amplification system, TSTA system) ( 8). TSTA 12~15 (35-37)., PSA (key regulating element) (multimerization) 31
12 (34). (5).,.,. (adoptive immunotherapy),., (38)., PET SPECT,,...,. PET 6. PET [ 64 Cu]pyruvaldehydebis(N4-methylthiosemicarbazone) ([ 64 Cu]PTSM) (39).,...,. HSV1-tk, NIS, Fluc, (38). (6) (Molecular Interaction Imaging), GAL4-VP16 TSTA.,. Ray NF-kB (VP16-MyoD GAL4-ID) (40). Paulmurugan (41-43). (7) (Near-infrared fluorescent dye) cathepsin B & H, matrix metalloprotease-2 (MMP-2). µm (quenched)., (unquenched). indocyanine green (ICG) cy5.5 fluorescent dye,. smart probe, (, ) (44-46). PET,,.,,. 32
13 PET MRI.,,,.,,,,. PET FDG. PET (47). PET PET.,. 1. Massoud, T. F. and Gambhir, S. S. (2003) Molecular imaging in living subjects: seeing fundamental biological processes in a new light. Genes Dev 17, Weissleder, R. and Mahmood, U. (2001) Molecular imaging. Radiology 219, (2004). 38, (2004). 38, Biswal, S. (2003) Molecular imaging of musculoskeletal diseases. Semin Musculoskelet Radiol 7, Chen, Y., Intes, X., and Chance, B. (2005) Development of high-sensitivity near-infrared fluorescence imaging device for early cancer detection. Biomed Instrum Technol 39, Contag, C. H. and Bachmann, M. H. (2002) Advances in in vivo bioluminescence imaging of gene expression. Annu Rev Biomed Eng 4, Bremer, C., Tung, C. H., and Weissleder, R. (2001) In vivo molecular target assessment of matrix metalloproteinase inhibition. Nat Med 7, Mahmood, U. and Weissleder, R. (2003) Nearinfrared optical imaging of proteases in cancer. Mol Cancer Ther 2, Gambhir, S. S., Barrio, J. R., Herschman, H. R., and Phelps, M. E. (1999) Assays for noninvasive imaging of reporter gene expression. Nucl Med Biol 26, Gambhir, S. S., Herschman, H. R., Cherry, S. R., Barrio, J. R., Satyamurthy, N., Toyokuni, T., Phelps, M. E., Larson, S. M., Balatoni, J., Finn, R., Sadelain, M., Tjuvajev, J., and Blasberg, R. (2000) Imaging transgene expression with radionuclide imaging technologies. Neoplasia 2, Gambhir, S. S., Barrio, J. R., Wu, L., Iyer, M., Namavari, M., Satyamurthy, N., Bauer, E., Parrish, C., MacLaren, D. C., Borghei, A. R., Green, L. A., Sharfstein, S., Berk, A. J., Cherry, S. R., Phelps, M. E., and Herschman, H. R. (1998) Imaging of adenoviral-directed herpes simplex virus type 1 thymidine kinase reporter gene expression in mice with radiolabeled ganciclovir. J Nucl Med 39, Tjuvajev, J. G., Avril, N., Oku, T., Sasajima, T., Miyagawa, T., Joshi, R., Safer, M., Beattie, B., DiResta, G., Daghighian, F., Augensen, F., Koutcher, J., Zweit, J., Humm, J., Larson, S. M., Finn, R., and Blasberg, R. (1998) Imaging herpes virus thymidine kinase gene transfer and expression by positron emission tomography. Cancer Res 58, Tjuvajev, J. G., Doubrovin, M., Akhurst, T., Cai, S., Balatoni, J., Alauddin, M. M., Finn, R., Bornmann, W., Thaler, H., Conti, P. S., and Blasberg, R. G. (2002) Comparison of radiolabeled nucleoside probes (FIAU, FHBG, and FHPG) for PET imaging of HSV1-tk gene expression. J Nucl Med 43, Iyer, M., Barrio, J. R., Namavari, M., Bauer, E., Satyamurthy, N., Nguyen, K., Toyokuni, T., Phelps, M. E., Herschman, H. R., and Gambhir, S. S. (2001) 8-[18F]Fluoropenciclovir: an improved reporter probe for imaging HSV1-tk reporter gene expression in vivo using PET. J Nucl Med 42, Min, J. J., Iyer, M., and Gambhir, S. S. (2003) Com- 33
14 parison of [18F]FHBG and [14C]FIAU for imaging of HSV1-tk reporter gene expression: adenoviral infection vs stable transfection. Eur J Nucl Med Mol Imaging 30, Gambhir, S. S., Bauer, E., Black, M. E., Liang, Q., Kokoris, M. S., Barrio, J. R., Iyer, M., Namavari, M., Phelps, M. E., and Herschman, H. R. (2000) A mutant herpes simplex virus type 1 thymidine kinase reporter gene shows improved sensitivity for imaging reporter gene expression with positron emission tomography. Proc Natl Acad Sci U S A 97, Herschman, H. R., MacLaren, D. C., Iyer, M., Namavari, M., Bobinski, K., Green, L. A., Wu, L., Berk, A. J., Toyokuni, T., Barrio, J. R., Cherry, S. R., Phelps, M. E., Sandgren, E. P., and Gambhir, S. S. (2000) Seeing is believing: non-invasive, quantitative and repetitive imaging of reporter gene expression in living animals, using positron emission tomography. J Neurosci Res 59, Liang, Q., Satyamurthy, N., Barrio, J. R., Toyokuni, T., Phelps, M. P., Gambhir, S. S., and Herschman, H. R. (2001) Noninvasive, quantitative imaging in living animals of a mutant dopamine D2 receptor reporter gene in which ligand binding is uncoupled from signal transduction. Gene Ther 8, Zinn, K. R. and Chaudhuri, T. R. (2002) The type 2 human somatostatin receptor as a platform for reporter gene imaging. Eur J Nucl Med Mol Imaging 29, Chung, J. K. (2002) Sodium iodide symporter: its role in nuclear medicine. J Nucl Med 43, Contag, C. H., Spilman, S. D., Contag, P. R., Oshiro, M., Eames, B., Dennery, P., Stevenson, D. K., and Benaron, D. A. (1997) Visualizing gene expression in living mammals using a bioluminescent reporter. Photochem Photobiol 66, Bhaumik, S. and Gambhir, S. S. (2002) Optical imaging of Renilla luciferase reporter gene expression in living mice. Proc Natl Acad Sci U S A 99, Bhaumik, S., Lewis, X. Z., and Gambhir, S. S. (2004) Optical imaging of Renilla luciferase, synthetic Renilla luciferase, and firefly luciferase reporter gene expression in living mice. J Biomed Opt 9, Tannous, B. A., Kim, D. E., Fernandez, J. L., Weissleder, R., and Breakefield, X. O. (2005) Codonoptimized Gaussia luciferase cdna for mammalian gene expression in culture and in vivo. Mol Ther 11, Min, J. J., Moon, S. M., Hong, Y. J., Cho, K. O., Bom, H. S., and Choy, H. E. (2005) Detection of solid tumor using light-emitting E. coli. Mol Imaging Biol 7, Hoffman, R. M. (2004) Imaging tumor angiogenesis with fluorescent proteins. Apmis 112, Shaner, N. C., Campbell, R. E., Steinbach, P. A., Giepmans, B. N., Palmer, A. E., and Tsien, R. Y. (2004) Improved monomeric red, orange and yellow fluorescent proteins derived from Discosoma sp. red fluorescent protein. Nat Biotechnol 22, Wu, J. C., Tseng, J. R., and Gambhir, S. S. (2004) Molecular imaging of cardiovascular gene products. J Nucl Cardiol 11, Kraitchman, D. L., Heldman, A. W., Atalar, E., Amado, L. C., Martin, B. J., Pittenger, M. F., Hare, J. M., and Bulte, J. W. (2003) In vivo magnetic resonance imaging of mesenchymal stem cells in myocardial infarction. Circulation 107, Wu, J. C., Chen, I. Y., Sundaresan, G., Min, J. J., De, A., Qiao, J. H., Fishbein, M. C., and Gambhir, S. S. (2003) Molecular imaging of cardiac cell transplantation in living animals using optical bioluminescence and positron emission tomography. Circulation 108, Yu, Y. A., Shabahang, S., Timiryasova, T. M., Zhang, Q., Beltz, R., Gentschev, I., Goebel, W., and Szalay, A. A. (2004) Visualization of tumors and metastases in live animals with bacteria and vaccinia virus encoding light-emitting proteins. Nat Biotechnol 22, Min, J. J. and Gambhir, S. S. (2004) Gene therapy progress and prospects: noninvasive imaging of gene therapy in living subjects. Gene Ther 11, Adams, J. Y., Johnson, M., Sato, M., Berger, F., Gambhir, S. S., Carey, M., Iruela-Arispe, M. L., and Wu, L. (2002) Visualization of advanced human prostate cancer lesions in living mice by a targeted gene transfer vector and optical imaging. Nat Med 8, Iyer, M., Salazar, F. B., Lewis, X., Zhang, L., Carey, 34
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Tel. 042-860-7028/ Fax.042-861-0307/ E-mail. bigguy@krict.re.kr... 500 3,000.. 40 (genome project).. 1-1. 10 8..,,, / 1, 2, 3 ( 1). 1. 36 35,000 500.. in vitro assay cell-based assay...,.... 1-2... Millennim,
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