PET分子成像在肺部疾病診療中的臨床轉化應用

苗 爽 楊麗麗 陳維芝 徐佐宇 孫夕林

分子影像學是分子生物學和臨床醫學之間的交叉學科，在肺部疾病的診療中起重要作用。分子影像是在細胞和分子水平上，對人或者其他生命體內的生物學過程進行的成像、表征和測量。分子成像技術，具有精準、靶向等優勢，可以克服傳統成像技術的局限性，以實現在分子水平對疾病的精確診斷及治療。分子成像探針是分子影像實時監測分子水平代謝及功能信息的核心和關鍵。尤其以具有高敏感度、高特異性、生物相容性等優點的正電子放射性核素標記類的分子成像探針最具代表性。PET/CT應用廣泛，主要分3大部分，即基因成像、酶成像和受體顯像，目前臨床最常用的為受體顯像可充分體現出PET/CT在分子成像中的作用和價值。其PET成像技術有以下幾個優點：實時動態監測、敏感度高、絕對定量、臨床轉化潛力大等。

PET成像技術可以從分子水平獲得放射性藥物在相應靶點的表達信息，對疾病全面發現病灶、精確定位、判斷良惡性及在分子水平上分期分型等方面具有巨大研究潛力。近年來肺部疾病發生率高，使用影像學方法可進行檢測但不易進行鑒別診斷。PET/CT分子成像致力于通過研發新型靶向分子成像探針，解決肺部疾病的高度特異性診斷、分期，開辟新的診療途徑等重大問題。因分子成像最終目的是應用于臨床診療，本文以肺癌、慢性阻塞性肺氣腫、哮喘及特發性肺纖維化為例聚焦靶向性的PET分子成像探針及其在臨床應用。本綜述以期為新型靶向性正電子放射性藥物的設計、合成、研發和應用提供理論依據和數據支撐，為新型的分子成像探針的轉化應用提供全新思路及拓寬領域應用。

一、PET分子成像在肺癌診療中的臨床轉化應用

在全球男性中與癌癥相關的首要死亡原因是肺癌，也是女性的第二大主要死亡原因。2018年統計表明，美國與癌癥相關的死亡25%以上由肺癌引起[1]。隨著肺癌發生率越來越高，大部分患者確診已處于中、晚期階段，錯失醫治最佳時機。非小細胞肺癌是肺癌的主要組織學亞型，其Ⅳ期非小細胞肺癌患者的預后很差，5年生存率<5%。對肺癌早期特異性診斷，適當分期分型，評估肺病治療效果對改善肺癌患者的轉歸及預后十分重要。

1.早期鑒別肺部疾病良惡性:據報道美國每年新發約150000例孤立性肺結節(solitary pulmonary nodule,SPN)患者[2]。SPN因其可能是炎癥、感染或肺癌的起因，引起人們極大關注。傳統影像學方法由于其二維特性疾病檢測能力受到限制。隨著胸部CT廣泛應用SPN的檢出率顯著提高。開發新型PET分子靶向相關的高敏感度探針，有助于鑒別診斷SPN的良性和惡性，早期診斷肺部疾病。Ebenhan等[3]報告了一種68Ga放射標記的RGD肽試劑盒，對非人靈長類動物的血液和尿液進行藥代動力學和生物分布分析，展現出良好示蹤劑性質。進一步研究該試劑盒臨床相關性，在3例臨床肺病患者中進行適用性評估，68Ga-NOTA-RGD 可在人非惡性組織中描繪出SPN，有益于臨床醫師制定下一步治療方案。

2.EGFR靶向肺癌分子成像探針:非小細胞肺癌(non-small cell lung cancer, NSCLC)約占肺癌病例的80%，其肺腺癌中表達表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor, EGFR)的腫瘤占60%以上，EGFR屬于酪氨酸激酶受體家族，包括細胞外配體結合域、疏水跨膜結構域以及細胞內酪氨酸激酶結構域。

西妥昔單抗是一類直接靶向EGFR胞外段結構域單克隆抗體，阻斷下游信號通路轉導。以往的報道中用89Zr(78.41h)或177Lu(6.65天)標記西妥昔單抗比64Cu標記的分子探針具有更長的物理半衰期，而且由于大分子蛋白低清除率和組織穿透性，24h后才能在腫瘤中觀察到這些放射性標記抗體的EGFR表達，限制了這類探針在臨床方面的應用[4,5]。所以，Pyo等[6]的研究中未使用單克隆抗體而是使用64Cu標記一種新型蛋白支架repebody (rEgA)，可直接靶向EGFR胞外段結構域。注射64Cu-rEgA 1h后可觀察到腫瘤中EGFR高表達，該探針可作為診斷EGFR陽性肺癌的有潛力的成像工具。

在30%～50%的亞洲NSCLC患者中，最常檢測到的為EGFR酪氨酸激酶結構域激活突變。Abourbeh等[7]合成11C-erlotinib評估動物模型中4種EGFR表達不同的TK域中常見的激活突變NSCLC細胞系。PET動物在體顯像發現11C-erlotinib在delE746-A750突變(HCC827)腫瘤模型中攝取最高且持續時間長,可用于實時動態檢測EGFR的突變狀態。為了通過PET成像無創檢測適用于EGFR-TKI治療的原發性L858R突變患者，Makino團隊合成了[18F] FTP2[8]。在荷瘤鼠動物PET研究中，表達L858R突變EGFR的 H3255腫瘤比表達L858R/T790M雙突變EGFR的 H1975腫瘤攝取更高，[18F]FTP2在應用于臨床檢測EGFR-TKI治療敏感的NSCLC患者可能有巨大潛力。

3.NSCLC患者是否EGFR突變分型中的應用:為了鑒定可能受益于EGFR酪氨酸激酶抑制劑治療的NSCLC患者，簡化靶向治療前的患者分層與選擇。2018年，Sun等[9]研發了一種新型分子成像探針18F-MPG。臨床前研究對荷瘤鼠進行18F-MPG PET成像及生物分布，從定量結果中明顯看到,18F-MPG攝取的高低與EGFR突變狀態存在高度相關性。EGFR突變型HCC827腫瘤對18F-MPG的攝取明顯高于EGFR野生型和二次突變耐藥型腫瘤對18F-MPG的攝取程度。說明該探針可以篩選出EGFR突變型患者。因為在EGFR分型中，EGFR突變型患者是藥物敏感型，使用相應的靶向藥物治療可能會更有效。為了驗證了這一預期，其團隊成功的將18F-MPG進行臨床轉化，應用于75例肺癌受試者中，經過篩選的藥物敏感型患者癥狀緩解率為81.58%，未經篩選的患者癥狀緩解僅占46.48%。同時該探針可以用來指示患者是否出現二次突變以致產生耐藥性，根據探針攝取的吸收值大幅度變動及時調整治療方案。這種新型有效的基于分子成像的分子分型技術，對實現肺癌的先“診”后“療”精準臨床策略有巨大應用價值。

4.肺癌治療中的應用:肺源性神經內分泌腫瘤(neuroendocrine tumors, NET)主要包括小細胞肺癌、大細胞肺癌、典型類癌和非典型類癌。NET的癥狀表現形式各異，對NET進行診斷及治療具有極大挑戰性。正電子發射斷層掃描PET與68Ga標記藥物DOTATATE，DOTATOC和DOTANOC最近已成為NET患者成像的首選方法，使用68Ga標記放射性藥物PET成像對肺部典型/非典型類癌患者檢出率達到90%[10]。Backhaus等[11]的研究中使用177Lu標記藥物DOTATATE，并對1例54歲的非典型(WHO Ⅱ級)腦膜瘤男性患者進行1個周期的177Lu-DOTATATE的肽受體放射性核素治療(PRRT)，治療后發現了先前未發現的非典型腦膜瘤肺部轉移引起的胸腔攝取。該病例呈現177Lu-DOTATATE在臨床上識別惡性腫瘤肺轉移方面的價值。最新的研究中，Zhang等[12]報告了患有前列腺癌肺轉移的1例患者，該患者接受了177Lu-PRLT前列腺特異性膜抗原放射配體療法(PRLT)，患者對治療耐受性良好無明顯不良反應，治療后肺轉移腫瘤完全消退。在今后的研究中177Lu標記的分子探針可能在臨床上檢測肺癌的同時治療肺癌，實現診療一體化。

二、PET分子成像在慢性肺病診療中的臨床轉化應用

慢性呼吸系統疾病包括慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)及哮喘。COPD可出現呼吸困難、反復性呼吸道感染等癥狀，與已知的危險因素如暴露于煙草煙霧和職業蒸汽有關[13]。診斷COPD的金標準是肺功能測試(PFT)，支氣管擴張劑后1s內所占比例與強制肺活量之比(FEV1/FVC)<0.70表示持續氣流受限[13]。傳統的影像學檢查為人們對COPD的理解做出了重大貢獻，相比于胸部X線片和CT，PET掃描空間分辨率更高在分子水平診斷疾病更有價值(表1)。哮喘是另一種常見的慢性呼吸系統疾病，可導致氣流阻塞和類似于COPD的癥狀，但不同之處在于，通過適當的治療可治愈哮喘。哮喘有以下幾種特征：間歇性呼吸困難、間歇性咳嗽和喘息。PFT可用于哮喘的診斷性檢查，但是哮喘癥狀間歇性發生，檢查結果通常是正常的。所以胸部X線片和CT掃描對哮喘的診斷作用很小，通常不會顯示任何結構異常。

表1 常用肺部成像方式特征

考慮到傳統的影像學方法在慢性呼吸系統疾病的診斷中起著有限的作用，因此開發新型PET分子成像探針可為新的策略。誘導型一氧化氮合酶(iNOS)是在肺上皮中組成性表達的3種一氧化氮合酶同工型之一，與哮喘和COPD的嚴重程度和進展相關，在許多以炎癥為特征的慢性呼吸道疾病中表達均增加。18F(+/-)NOS是一種靶向iNOS的PET示蹤劑，已在內毒素誘導的肺部炎癥動物模型中進行了臨床前評估[14]。為了證明該示蹤劑在人類中的表現類似，Huang等[15]在健康志愿者中對內毒素誘導的肺部炎癥進行成像的能力進行評估，內毒素滴入右肺之前的和之后16h內進行PET動態成像。使用Logan圖分析將18F(+/-)NOS定量化為分布體積比(DVR)，除了無法檢測到iNOS的受試者外，所有受試者的DVR均升高,18F(+/-)NOS DVR的變化取決于iNOS的存在，這些數據說明18F(+/-)NOS攝取具有特異性。炎癥引起的水腫可導致放射性藥物的非特異性保留，在這種情況下，盡管存在水腫，仍未保留18F(+/-)NOS，進一步支持了該示蹤劑對肺中iNOS蛋白表達成像的潛在效用。因此，量化iNOS水平的成像方法以及該示蹤劑在志愿者中的臨床應用可能對于研究iNOS對哮喘和COPD的嚴重程度和進展非常有用。

同時，免疫細胞參與慢性肺部疾病的發展也是一個重要課題，Jones等[16]評估了COPD和哮喘患者的嗜中性粒細胞浸潤和巨噬細胞的存在。應用與18F-FDG相關的PET成像來評估代謝，并用11C-PK11195作為巨噬細胞的標志物，研究人員發現，COPD和哮喘患者的18F-FDG攝取量比健康患者增加了2.7和2.5倍，而哮喘和COPD患者的11C-PK11195在組織和血漿的分布比率均比正常患者更高，進一步說明COPD和哮喘攝取18F-FDG的區別可能來自嗜中性粒細胞活化的狀態不同。另一組實驗也提供了有說服力的證據，表明嗜中性粒細胞活化在COPD發病機制中至關重要[17]。可為臨床上探索COPD發病機制提供新思路。PET分子成像的COPD和哮喘相關研究還處于待開發領域，需要進一步探索其在慢性肺病中的應用價值。

三、PET分子成像在特發性肺纖維化診療中的臨床轉化應用

在美國和其他地方特發性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis, IPF)的發生率及病死率呈逐年增加趨勢[18]。隨著特發性肺纖維化病情進展，肺部損傷越來越嚴重，嚴重影響了人體呼吸功能，且IPF藥物治療效果不顯著、預后差，對其進行診斷及治療監測是目前研究重點。影像學指標可以提供結構和表型信息，以幫助指導個性化治療，并且可能比肺功能測試更敏感、更具體。高分辨率計算機斷層掃描(HRCT)掃描可以幫助診斷疾病，但為IPF制定精確的、普遍公認的診斷標準仍是一個挑戰。PET/CT成像顯示纖維化的肺組織18F-FDG高攝取，但結構上看起來正常的區域也似乎具有較高的標準攝取值，因此有必要通過未來的研究進行進一步探索[19]。Xiong等[20,21]通過氣管內滴注博來霉素(BLM)建立了大鼠模型，并對實驗組和對照組中分別進行18F-ML-8、18F-ML-10和18F-FDG的PET/CT成像。BLM處理的大鼠模型中18F-ML-8 、18F-ML-10的肺與肌肉相對攝取率均高于18F-FDG的相對攝取率，病理檢查也顯示BLM處理的大鼠肺羥脯氨酸含量更高。18F-ML-8與18F-ML-10可更精確地評估大鼠模型肺纖維化的進展程度，有望對臨床肺纖維化的非侵入性診斷提供思路。

近年來對膠原蛋白降解標志物、活化巨噬細胞、細胞轉化生長因子作為診斷和預后的生物學標志物進行了大量研究。Desogere等[22]研發了一種基于肽的PET靶向探針68Ga-CBP8,PET成像肺部68Ga-CBP8攝取與肺纖維化小鼠的膠原蛋白含量有關,進一步證明了該探針可量化動物模型肺纖維化，監測治療反應，具有檢測IPF臨床患者肺組織樣本纖維化程度的能力。68Ga-CBP8有望在今后臨床研究中實現對肺纖維化患者的非侵入性成像。同時定量檢測該探針客觀地評估疾病的進展變化，對IPF和其他纖維化肺病的抗纖維化治療有重要潛在應用價值。

葉酸受體-β(FR-β)是一種細胞表面標志物，僅在疾病狀態下活化的巨噬細胞中表達。為了評估18F-AzaFol的應用前景，Schniering等[23]對博來霉素誘導的小鼠肺纖維化模型進行PET/CT成像，18F-AzaFol在肺部積累反映了疾病的進展。為了確定FR-β在巨噬細胞陽性表達，對人肺纖維化組織進行免疫組化葉酸受體-β半定量評估，特發性纖維化患者的FR-β表達增加了3～4倍，同時FR-β組織表達與放射性分子成像探針攝取具有良好的相關性，也表明18F-AzaFol PET/CT可用于檢測巨噬細胞相關的纖維化肺病，并有望進行臨床轉化。以靶向表達FR-β的巨噬細胞的分子免疫療法可能是IPF的有前途的治療方法。對IPF的發展至關重要的細胞轉化生長因子-β(TGF-β)的激活與整聯蛋白αvβ6密切相關。

IPF肺組織中αvβ6的表達上調，且αvβ6水平升高與疾病進展和不良預后有關，這表明αvβ6抑制劑可能對IPF患者治療有益。先前已證明在肺纖維化小鼠模型中，吸入αvβ6抑制劑GSK3008348可抑制TGF-β的激活。最新研究表明使用αvβ6特異性分子成像探針[18F]FB-A20FMDV2的PET成像可提供一種非侵入性的方法來測量αvβ6的表達[24]。對15例參與者進行研究，通過肺分配量(VT)衡量[18F]FB-A20FMDV2的肺攝取，與健康參與者比較，IPF患者αvβ6表達增加，該分配系數也成功定量了αvβ6。此外，[18F]FB-A20FMDV2可在兩周的時間內重復使用PET測量。最近一項獨立研究報告了另一種αvβ6特異性PET分子成像探針[18F]FP-R01-MG-F2也有相似結果[25]。以上研究表明，研發新型PET分子成像探針應用于IPF患者臨床診療以及評估IPF患者治療效果有較好的前景。

四、展 望

近年來，隨著對肺癌、COPD、哮喘和特發性肺纖維化分子機制的深入研究，分子成像探針應用于肺部疾病中臨床診療成為一大熱點。對靶點成像其關鍵在于PET分子成像探針研發，在研發過程中需要注意一些問題：(1)正電子放射性核素標記大分子蛋白研發的分子成像探針清除率及組織穿透性等有待于提高，可以盡量降低靶向基團分子量并對探針進行修飾調整水溶性，選用小分子類或多肽等用于探針研發。(2)分子成像探針在非靶器官中積累導致腫瘤/背景值低、肝膽系統攝取背景噪聲高、圖像質量不佳問題，關鍵在于分子成像探針靶向性特異性，因此，高親和性的標記前體急需被發現和應用。(3)放射性核素探針標記過程中半衰期過短不適合進行多步復雜標記，半衰期過長對正常組織損傷大不適用于臨床，因此放射性核素的選擇需緊密結合分子成像的目的，研發臨床轉化容易且安全性高新型分子成像探針。(4)分子成像探針臨床應用中會存在免疫原性反應或相關生物學效應對人體造成危害問題，需對藥代動力學進行改進以提高生物安全性，同時重視分子成像探針的質量控制等。

綜上所述，改善放射性核素分子成像探針制備，提高分子成像探針無創檢測肺部疾病能力，有益于 PET分子成像在肺部疾病的臨床應用。相信在未來的研究中，開發新型安全的放射性核素探針進行靶向成像，有望促進PET分子成像無創檢測的肺部疾病在臨床轉化應用中的發展。