PET小分子凋亡顯像示蹤劑的研究進展

王騰騰，張錦明，張 濤，柳 曦，周乃康

解放軍總醫院 胸外科，北京 100853

PET小分子凋亡顯像示蹤劑的研究進展

王騰騰，張錦明，張 濤，柳 曦，周乃康

解放軍總醫院 胸外科，北京 100853

凋亡是細胞的程序化死亡過程。研究表明，小分子凋亡顯像示蹤劑可以幫助臨床醫師早期診斷疾病、檢測疾病的進展、治療后早期評估療效、協助開發新的治療方案、指導腫瘤個體化治療。雖然臨床上迫切期望一種理想的小分子凋亡顯像PET示蹤劑問世，但是一直未能實現，主要是因為臨床應用的苛刻要求，包括對凋亡細胞的檢測具有較高特異度和靈敏度、合理的生物學分布、藥物的安全性、與放射性標記物的兼容性、常規PET設備的顯像等。目前小分子凋亡顯像PET示蹤劑主要分為3類：顯示凋亡蛋白活性的示蹤劑、檢測線粒體跨膜電位破壞的示蹤劑和反應膜改變印記的示蹤劑。

凋亡顯像；小分子探針；正電子發射斷層顯像術

細胞凋亡不是隨機、混亂的細胞死亡，而是程序化、有規律的生物學過程。許多因素可以促發細胞凋亡，包括生理性和病理性的。細胞發生凋亡時首先轉變成成簇的膜包裹的顆粒(凋亡小體)，然后被巨噬細胞吞噬[1-2]。細胞凋亡主要途徑：1)線粒體途徑：線粒體膜滲透性改變，不可逆的膜去極化，導致細胞色素C釋放，并激活凋亡蛋白酶(Caspases)系統；2)死亡受體途經：許多配體(腫瘤壞死因子、壞死因子相關的凋亡誘導配體、FAS配體)與細胞膜上的死亡受體結合，通過信號傳導激活Caspases系統。能夠標記到凋亡細胞的示蹤劑可以幫助早期診斷疾病、監視疾病進展、評估治療效果。一個好的臨床凋亡顯像示蹤劑應該集成多種特征：1)對凋亡細胞具有較高的靈敏性和特異性：能夠早期檢測出凋亡細胞，并能區分凋亡細胞與壞死細胞；2)有效性：靜脈注射后能夠充分、快速地分布到全身，檢測出機體的凋亡細胞，并在非靶向目標器官快速清除，具有良好的信背比；3)安全性：無毒，不引起免疫反應；4)穩定性：在機體內很少被代謝掉[3]；5)與常規臨床PET具有兼容性。本文對應用于凋亡細胞顯像的PET示蹤劑的發展及實驗研究予以綜述。

1 早期凋亡顯像示蹤劑

2002年，Belhocline等[4]率先將99mTc標記的Annexin-V的衍生物在活體內進行實驗。之后，Tait[5]的研究報道，99mTc-annexin-V凋亡顯像示蹤劑在多種疾病中應用具有很好的可行性和潛在的臨床價值，如99mTc-annexin-V被應用到一些心血管疾病，包括心肌梗死、動脈粥樣硬化[6]，還被用來監測肺部腫瘤的治療效果[7]。Annexin-V是目前應用最廣泛的凋亡細胞直接結合劑，它能結合凋亡細胞膜表面的磷脂酰絲氨酸，其優點是對凋亡細胞具有較高的親和力，并連接多個熒光基團，直接螯合99mTc。但是，這些研究也提出了這種蛋白質分子顯像的局限性：在特異性方面，Annexin-V通過已破壞細胞膜偶聯到細胞內的磷脂酰絲氨酸，標記的既有凋亡細胞又有壞死細胞；在生物學分布方面，Annexin-V在非靶向器官清除時間較長，且由于Annexin-V是大分子結構，信背比相對較低[1]。

除此之外，PET成像的Annexin-V的放射性標記物也在嘗試。18F半衰期為110 min，因半衰期短而被廣泛應用于PET顯像。但是，由于Annexin-V擁有大量的功能基團，直接利用18F標記會破壞這些功能基團，因而采用先標記功能基團外的一些基團的方法，如N-琥珀酰4-18F苯甲酸，從而形成Annexin-V的衍生物[8]。雖然這種方法能夠獲得良好的標記率，但是放射性標記和示蹤劑的純化過程復雜、耗時長、成本高，不適合應用于常規臨床檢測。為了適應半衰期較長的放射性標記物和解決Annexin-V較慢的清除率，選擇一些除18F以外的放射性同位素，如64Cu和124I(半衰期分別是12.7 h，4.2 d)[9]。但是這些同位素半衰期過長，在臨床上使用的難度大。

2 檢測Caspases的PET示蹤劑

Caspases在細胞凋亡線粒體途徑和死亡受體途徑中都發揮著極其重要的作用[10-11]。最近基于靛紅磺胺基團的新型Caspases抑制劑有很大進展，此類化合物是一種非肽類Caspases抑制劑，細胞內Caspases活化后，該試劑的二羰基能共價結合位于Caspases活性中心的半胱氨酸殘基，起到拮抗Caspases的作用。這類的化合物多用11C或18F標記，比如18F-ICMT 11，18F-caspase，11C-WC-98，18F-WCIV-3。PET顯像實驗已經證實，18F-ICMT 11的攝取與細胞凋亡呈正相關，然而腹部器官對該示蹤劑的非特異性攝取也較高，腫瘤部位攝取與腹部器官對比度不高，在臨床應用時特異性受到影響[12-14]。多個研究表明，在順鉑誘導的體外腫瘤細胞凋亡模型中發現，11C-WC-98、18F-WC-IV-3對凋亡細胞具有高親和力[15-17]。Zhou等[15]發現，在放線菌酮anti-Fas抗體誘導的肝細胞凋亡模型中，酶學測定顯示Caspases類示蹤劑在凋亡細胞中呈累積性攝取。該類示蹤劑最大的缺點是在活體中對Caspases的親和力明顯下降，只有高濃度的此類示蹤劑才能抑制Caspases[18]。這種現象可能與靛紅的二碳基非特異性化學反應有關。

3 檢測線粒體跨膜電位改變的PET示蹤劑

有研究將同位素標記到電壓敏感的探針上，如18F芐基三苯基陽離子(18F-FBnTP)用來檢測線粒體跨膜電位消失。活體細胞線粒體內膜的電質子梯度使得陽離子流向線粒體基質，這種梯度在凋亡早期就被破壞，示蹤劑攝取量也隨之下降。因此，這種示蹤劑在檢測細胞凋亡時顯示的信號是減弱的，而其他類的示蹤劑是增強的。實驗研究表明，在體外星形孢菌素誘導的肺癌細胞凋亡的模型和紫杉醇誘導的乳腺癌細胞模型中，小鼠多西紫杉醇誘導的前列腺腫瘤凋亡模型，18F-FBnTP攝取量顯著減少[19-20]，這是因為凋亡細胞內的線粒體有限，逐漸被破壞，有效靶點減少，攝取值也會下降。但在某些活體細胞利用多耐藥蛋白將這類示蹤劑排到細胞外，凋亡顯像提示信號下降，可能會將這類細胞誤診為凋亡細胞。Madar等[21-22]的研究表明，18FFBnTP在線粒體密度分布高的器官(心臟和腎)攝取速率快速減慢，信號也隨之減少，顯像效果較好，而在低代謝器官中的顯像效果不佳。

4 反應膜改變印記的PET示蹤劑

反應膜改變印記發生在細胞凋亡早期。該印記包括不可逆的質膜電位破壞，部分外質膜和細胞液永久被酸化，細胞膜磷脂酶系統被激活。這些特征性變化能夠將正常細胞或壞死細胞區分開來[23]。多種該類示蹤劑被研制出來，如DDC、ML-10、ML-9、NST-732、NST-729，在多種凋亡模型中表現出較好的效果。比如抗癌藥物誘導的腫瘤細胞凋亡模型、腎衰竭模型、缺血性腦卒中模型、神經變性的疾病模型[24-28]。Zeng等[29]報道了NST-732的衍生物丹磺酰肼被18F標記后在體外實驗中能夠檢測化療誘導的腫瘤細胞凋亡。18F-ML-10是一種相對分子量為206的化合物。能夠選擇性地被凋亡細胞攝取，這與線粒體跨膜電位破壞、Caspases激活、DNA水解等凋亡印記有關[23]。18F-ML-10是第1個被應用于臨床階段的示蹤劑，在小規模的臨床試驗中表現出滿意的結果。Ⅰ期臨床試驗中，18F-ML-10顯示出良好的穩定性和生物學分布以及安全的劑量范圍。Ⅱ期臨床試驗中，應用18F-ML-10監測缺血性腦卒中患者的血管神經細胞凋亡，在CT檢查中得到了驗證；惡性腫瘤腦轉移行全腦放射治療后[30]，應用18F-ML-10可提供治療后效果，這種效果在兩個月后的MRI檢查提示的解剖學上的變化相匹配。該示蹤劑的更多臨床試驗正在進一步開展。

5 結語

凋亡顯像在過去的十年經歷了快速發展，利用PET成像的示蹤劑也隨之有了較快的發展。這些革命性的創新從直接偶聯磷脂酰絲氨酸、Annexin-V為代表的蛋白質探針，跨越到能夠探測凋亡級聯反應中某一環節的小分子示蹤劑。凋亡事件的復雜性和臨床實踐的安全性也對新型的小分子示蹤劑提出了更嚴苛的要求。與此同時，在顯像設備、PET同位素標記技術、PET信號定量數字分析領域也都有了長足的進步。我們相信通過多學科、多領域的共同合作能夠成功地研制出一系列無創、安全、有效的在臨床廣泛應用的示蹤劑。

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Advances in small molecule radiotracer for PET imaging apoptosis

WANG Tengteng, ZHANG Jinming, ZHANG Tao, LIU Xi, ZHOU Naikang
Department of Thoracic Surgery, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China

ZHANG Jinming. Email: zhangjm301@163.com; ZHOU Naikang. Email: znklip@sina.com

Apoptosis is a controlled program of cell death. So far, several studies have shown that small molecule apoptosis imaging tracers can help clinicians in early diagnosis of diseases, detection of disease development, early assessment of the efficacy of treatment and development of new treatment options. However, there is no ideal tracer of small molecule apoptosis imaging at present, the desirable small-molecule apoptosis imaging PET tracer should have the following characteristics: high specificity and sensitivity in detection of apoptotic cells, favorable biodistribution and safe profiles in vivo, compatible with radioactive markers and normal imaging of clinical PET. For different targets during apoptosis, currently, small molecule apoptosis imaging PET tracers are mainly divided into three categories: PET probes for caspase activation, PET probes for detection of collapse of mitochondrial membrane potential and PET probes for detection of apoptotic membrane imprint.

apoptosis imaging; molecular probes; positron-emission tomography

R 445

A

2095-5227(2015)06-0637-03

10.3969/j.issn.2095-5227.2015.06.032

時間：2015-04-09 17:13

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20150409.1713.002.html

2015-01-30

國家自然科學基金項目(81371593)

Supported by the National Natural Science Foundation of China(81371593)

王騰騰，男，在讀博士。研究方向：PET示蹤劑。Email: wtwangteng@126.com

張錦明，男，博士，研究員。Email: zhangjm301@163. com；周乃康，男，主任醫師，教授。Email:znklip@sina.com