分子显像是指在细胞和分子水平对生物学过程进行测量和特征描述，是细胞、分子生物学技术与传统显像技术的结合。分子异常是疾病的基础，解剖学改变和生理改变是分子异常的继发性表现。分子显像技术为疾病的早期检测和特征描述、生物学理解、治疗评估提供了可能。
1.肿瘤分子显像与肿瘤研究
随着对肿瘤的细胞、分子生物学机制的不断探索，人们不断发现新的肿瘤特异性的分子标记，为肿瘤分子显像提供了越来越多的标靶，推动了分子显像技术在肿瘤诊断中的应用。利用这些分子标记，分子显像技术可以有效地对肿瘤进行早期发现、早期诊断、早期治疗、早期效果评估及改善治疗方案、早期预防复发。随着肿瘤分子生物学的研究，肿瘤分子显像技术必将起到越来越重要的作用。
应用不同基因表达和不同信号传导通路进行活体分子显像的方法具有重要价值，它有助于理解特定基因和信号传导通路在不同疾病中的作用，阐明其在疾病不同阶段及在不同的治疗干预过程中的变化和调节。内源基因的改变在肿瘤发生中起着决定性作用，因而肿瘤细胞内源基因及其表达的显像，对研究肿瘤的发生机制、肿瘤行为极为重要。
分子显像技术的优势之一就是可以对肿瘤相关的早期分子改变进行检测，从而达到对肿瘤早期诊断的目的。由于其高度敏感性，可以发现一些常规方法难以发现的微小病灶。分子显像的主要方法有核素分子显像(如PET、SPECT)、磁共振分子显像(MR)和光学分子显像。其中，PET在肿瘤的早期检测方面取得了显著成果。PET是一种高敏感的非侵入性显像技术，非常适合于临床前期、临床期癌的生物学显像，已经用于多种不同的恶性肿瘤，如头颈部鳞癌、黑素瘤、结直肠癌、肺癌、乳癌和淋巴瘤等。PET诊断的准确性较传统的方法高8%-43%，使20%-40%的患者改变了治疗方案。此外，PET还可以检测肿瘤的生物学活性，可以检测那些正常大小，已被肿瘤侵犯，但CT、MRI认为是正常的淋巴结。对全身用FDG行PET显像可在一次检查中检查所有器官系统的糖代谢，改善癌症的检查和分期，选择更为合适的治疗方案并更为准确地评估治疗反应。
为达到最佳的治疗效果、及时调整治疗方案，肿瘤治疗过程中的分子显像的重要性日益凸显。对基因治疗，分子显像技术的应用可提供转染载体的位置信息、基因转染和表达的范围、数量，以及评估基因表达的结果。分子显像技术还可被用作探测治疗性药物所针对的特异性分子靶标，以及对药物疗效做出评价。另外，分子显像技术也可以利用与肿瘤转移相关的分子标记物，对肿瘤的转移倾向、术后复发进行预测。
2.肿瘤分子显像与分子诊断
肿瘤的分子诊断与分子显像是一种相互促进的关系。肿瘤分子诊断研究不断发现新的肿瘤特异性的分子改变，为肿瘤分子显像提供了前提和条件;而分子显像技术可以对肿瘤发生的分子基础显像，有助于理解肿瘤的发生机制和探测肿瘤特异性分子。
细胞癌变的关键是基因的变化。肿瘤的发生常常与某些基因的结构、功能的改变或基因表达调控的异常有骨干。其中某些特定的基因改变可以作为肿瘤基因标记，为肿瘤的早期正确诊断提供依据。越来越多的肿瘤相关基因被发现，有些已经用于肿瘤的诊断、鉴别诊断、分类、分期以及预后分析。这些基因为分子显像研究提供了把目标，利用核素、MR或光学的显像方法，可以对这些基因存在与否、表达水平的高低、功能的变化显像，从而达到早期发现微小的肿瘤病灶并精确定位的目标。
所有的恶性肿瘤都存在酶学的改变，许多蛋白酶在肿瘤发生过程中存在过度表达或被激活的现象，对肿瘤酶学的研究对了解肿瘤的发生、发展机制有着十分重要的意义。当前分子显像所研究的酶主要有组织蛋白酶B、H、基质金属蛋白酶、凋亡蛋白酶等。研究证实对蛋白酶的显像可成功地用于检测微小的病灶。FDG-PET在临床一般雇佣中证实可以早期发现病变、改善肿瘤分期、检测转移病灶和术后残留、复发病灶等。
细胞表面结构的改变与肿瘤的发生、发展、肿瘤细胞的某些特征和恶性生物学行为的获得具有密切的关系。分子显像所研究的细胞表面结构主要有膜受体、通道、细胞黏着分子以及细胞改变后表达于细胞膜外表面的物质。对细胞表面受体显像，可以通过开发一种能够以分子显像技术检测的相应配体来完成，利用受体的内化，将配体大量带入细胞内，从而增强了信号强度，提高了显像的敏感度。
分子显像技术是一种跨学科的技术，多学科间的合作对分子显像的快速发展是必不可少的。在肿瘤学研究中，利用分子生物学所提供的新技术，已经发现大量的肿瘤相关的标记物，这些标记物可作为分子显像研究的靶分子，促进其发展。但是，由于存在众多的肿瘤相关分子标记物，难以针对每一分子设计一种显像方法，因而建立一种分子显像平台具有重要意义。例如通过设计，将一种报道基因置于不同的启动子之下，从而对不同的启动子活性进行研究，建立一种通用的报道基因显像平台。分子显像技术与微创或无创的影像导航治疗技术相结合已是癌症研究的下一个目标，这些都是源自肿瘤根源的希望，战胜肿瘤，路阻却光明。
