動脈粥樣硬化斑塊乏氧PET成像研究進展

谷珊珊，盧 潔，2*

(1.首都醫科大學宣武醫院放射與核醫學科，北京 100053；2.磁共振成像腦信息學北京市重點實驗室，北京 100053)

心腦血管疾病是我國老年人的主要死亡原因，2016年我國心腦血管疾病死亡率居首位，農村地區心血管疾病死亡率占全部死亡的45.50%，城市為43.16%[1]。70%的心臟急性事件是由動脈粥樣硬化(atherosclerosis, AS)易損斑塊破裂所致[2]，且其冠狀動脈的“罪犯血管”無明顯狹窄[3]。AS為脂質紊亂所致慢性炎癥性病變，由最初的血管內皮功能障礙發展至炎癥細胞聚集，伴隨血管平滑肌細胞數量減少和功能減弱，細胞外基質合成與分泌減少，并形成薄纖維帽，而巨噬細胞逐漸凋亡，形成巨大壞死核心，發展為易損斑塊，最終發生破裂[4]。易損斑塊破裂和AS血栓形成是發生急性心臟事件和腦卒中的主要原因，而區分易損斑塊和穩定斑塊是臨床診療AS面臨的巨大挑戰。近年來，分子影像學飛速發展，采用PET可直接檢測和量化斑塊的代謝過程。越來越多的放射性示蹤劑用于AS易損斑塊不同代謝過程的分子成像，包括巨噬細胞炎癥改變、乏氧、微鈣化及新生血管等，加深了臨床對疾病發生發展的理解，且有助于監測治療AS效果。本文就PET檢測AS易損斑塊的原理、斑塊乏氧的病理生理機制以及乏氧顯像的應用進行綜述。

1 PET檢測AS易損斑塊的原理

PET自2002年開始作為一種無創分子成像技術用于探索AS病理生理過程，隨后開發了多種新型PET放射性示蹤劑用于動物模型及人體研究，以揭示AS的疾病過程。針對AS形成過程中的炎癥、微鈣化、乏氧、凋亡及新生血管形成等成像靶點，研發制備其正電子標記配體；利用PET掃描儀探測正電子在ROI聚集產生的γ光子而完成顯像。然而PET所示示蹤劑攝取區必須與CT或MRI配準，即PET/CT或PET/MRI才能將斑塊的代謝情況與解剖結構相結合。PET的主要優點是靈敏度高，通過檢測示蹤劑濃度,可量化ROI生物過程，常規檢測指標包括標準化攝取值(standardized uptake value, SUV)和組織本底比(tissue to background ratio, TBR)，動態研究參數包括動力學分析中的注入速率常數Ki等[5]。根據AS演變過程，針對易損斑塊PET成像的關鍵靶點，現已開發出分別針對易損斑塊炎癥、巨噬細胞內轉位蛋白(translocator protein, TSPO)、新生血管進行顯像以及用于乏氧顯像和微鈣化顯像的18F-氟脫氧葡糖(fludeoxyglucose,18F-FDG)[6]、N-[11C]甲基-N-(1-甲基丙基)-1-(2-氯苯基)異喹啉-3-氨甲酰(11C-PK11195)[7]、18F-fluciclatide[8]及18F-氟咪索硝唑(18F-misonidazole,18F-FMISO)[9]和18F-氟化鈉(18F-sodium fluoride,18F-NaF)[10]等分子探針。

2 AS乏氧的病理生理機制

正常情況下，動脈壁通過血管腔與血管外膜之間的氧擴散獲得營養，而氧擴散的極限距離為100～200 μm[11]。隨著AS斑塊厚度增加，氧擴散效率明顯降低，同時增厚的內中膜對氧需求量急劇增加，導致距離血管外膜150～300 μm處斑塊的巨噬細胞聚集區嚴重缺氧，此為導致AS乏氧的主要原因[12]。

2.1 AS乏氧促進斑塊炎癥進展 低密度脂蛋白(low-density, LDL)在動脈內中膜積聚、氧化、修飾，導致AS；乏氧環境能增強LDL氧化，促進甘油三酯合成和裝載泡沫細胞[13]，大量泡沫細胞在斑塊積聚、凋亡，形成富含脂質的壞死核心。另外，乏氧使巨噬細胞表達的大量低氧誘導轉錄因子1α(hypoxia-inducible transcription factors, HIF-1α)增強炎癥反應，HIF-1α通過激活100多個不同基因表達調節細胞對乏氧的反應[14]。HIF-1α在頸動脈AS病變的巨噬細胞聚集區及乏氧區高水平表達，且與疾病嚴重程度呈正相關[15]。

2.2 AS乏氧促進斑塊內新生血管生成 人體AS病變相關研究[16]表明，乏氧與斑塊新生血管顯著相關，且可能促進血管生成，以恢復斑塊組織的氧合作用，以此修復斑塊。斑塊乏氧環境中，HIF-1α通過誘導血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)促進內皮細胞生長并形成新的管腔，以提供代謝所需養分，維持斑塊內氧的供需平衡，但這種情況下形成的血管管壁薄弱，極易堵塞，使氧擴散效率低下[17]。乏氧條件下新生血管生成是易損斑塊的重要特征。

2.3 AS乏氧誘導三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)耗竭 氧的核心作用是維持線粒體產生ATP。為適應乏氧環境，AS的巨噬細胞通過厭氧糖酵解產生ATP[18]，其每產生1個ATP分子消耗的葡萄糖是線粒體的15倍。研究[19]表明，相比無癥狀頸動脈粥樣硬化患者，有癥狀頸動脈粥樣硬化患者葡萄糖消耗量更高，提示乏氧誘導ATP耗竭可能是促進巨噬細胞凋亡和AS壞死核心形成的關鍵因素[18]。

3 PET顯像在AS乏氧顯像中的研究進展

3.118F-FMISO乏氧顯像18F-FMISO是目前PET乏氧顯像中應用最廣泛的硝基咪唑類放射性示蹤劑。體外細胞實驗及體內動物實驗研究[9,20]均表明，18F-FMISO是PET較理想的乏氧顯像劑，能選擇性滯留于乏氧組織和細胞中，且為唯一用于臨床研究的乏氧顯像劑，已廣泛用于臨床腫瘤PET顯像。18F-FMISO在細胞內的滯留程度取決于細胞內氧濃度，其用于檢測乏氧組織具有無創、全面、可靠等優點，且心臟攝取低，是AS易損斑塊乏氧顯像的首選顯像劑。

MATEO等[9]對18只兔AS模型分別于高脂飼養6～8個月(誘導期)及12～16個月(進展期)行18F-FMISO和18F-FDG PET顯像，并以4只標準飲食飼養兔為對照組，觀察其腹主動脈放射性示蹤劑攝取，結果顯示18F-FMISO攝取量隨高脂飼養時間延長而增高，兔AS模型誘導期SUVmean為0.20±0.03(P=0.002)、進展期為0.25±0.03(P<0.001)，均高于對照組(0.10±0.01)；兔AS模型誘導期18F-FDG的SUVmean(0.43±0.02)亦高于對照組(0.35±0.02，P=0.031)，而進展期與對照組差異無統計學意義(P=0.046)；且免疫組織化學(免疫組化)顯示18F-FMISO攝取與巨噬細胞富集區域基本一致，與巨噬細胞、HIF-1α表達和內膜新生血管相關；而18F-FDG炎癥攝取主要于斑塊形成早期，隨時間延長，18F-FDG攝取變化不明顯。JOSHI等[21]對16例頸動脈粥樣硬化患者行18F-FMISO及18F-FDG PET/CT顯像，結果顯示短暫性腦缺血發作(transient ischemic attack, TIA)或腦卒中患者頸動脈斑塊乏氧較無癥狀AS患者更明顯，且有癥狀患者斑塊18F-FMISO PET攝取值高于無癥狀患者,其18F-FMISO攝取與FDG攝取呈正相關。但18F-FMISO亦存在不足：脂溶性高，有一定神經毒性；特異性欠佳，在乏氧細胞內攝取相對較低，在正常組織中清除較慢，需延長顯像時間；半衰期過短(1.85 h)，成像效果欠佳；肝、腎及腸道本底攝取較高，影響觀察腹部血管[22]。

3.218F-2-(2-硝基-1H-咪唑-1-基)-N-(2,2,3,3,3-五氟丙基)-乙酰胺(18F-EF5)乏氧顯像18F-EF5是另一種硝基咪唑類放射性示蹤劑，通過標記的免疫組化乏氧標志物EF5而識別乏氧區域。腫瘤乏氧顯像中，EF5與腫瘤細胞內的血氧分壓(partial pressure of oxygen, PO2)呈負相關，具有較強通透性和在乏氧組織中蓄積的能力[23]。EF5被18F標記后可用于PET成像，為廣泛用于基礎及臨床研究的組織乏氧示蹤劑之一[22]。SILVOLAN等[24]將18F-EF5用于低密度脂蛋白受體基因缺乏、僅合成載脂蛋白B100(LDLR-/-ApoB100/100)的AS小鼠模型及胰島素樣生長因子Ⅱ基因過度表達的IGF-Ⅱ/LDLR-/-ApoB100/100糖尿病AS小鼠模型，于高脂飼養3～4個月后行PET/CT顯像，以C57BL/6N小鼠為對照組，發現注射后90 min，LDLR-/-ApoB100/100AS小鼠模型[(1.88±0.35)%IA/g]主動脈18F-EF5攝取濃度明顯高于對照組[(1.10±0.23)%IA/g],而IGF-Ⅱ/LDLR-/-ApoB100/100糖尿病AS小鼠模型[(1.18±0.17)%IA/g]主動脈18F-EF5攝取濃度與對照組差異無統計學意義；離體主動脈放射自顯影結果顯示，AS斑塊區18F-EF5攝取高于鄰近正常血管壁2倍。但18F-EF5緩慢的血液清除率和周圍本底組織高攝取限制了其在體內AS成像中的應用。

3.318F-4-(2-硝基-1H-咪唑基)甲基-1H-1,2,3-三唑-3-(2-硝基苯磺酰氧基)丙醇乙酯(18F-HX4)乏氧顯像18F-HX4是新一代硝基咪唑類示蹤劑，具有較好的藥代動力學和血液清除能力，血漿半衰期約3 h[25]。一項臨床研究[26]將18F-HX4用于8例頸動脈狹窄患者，先行頸部MRI，以計算標準化壁指數(平均壁面積/外壁面積)，而后行PET/CT顯像，計算頸動脈及主動脈有斑塊與無斑塊血管18F-FDG及18F-HX4攝取；結果顯示AS斑塊18F-HX4攝取與頸動脈壁厚度顯著相關，且18F-HX4攝取與18F-FDG攝取相關，提示斑塊區18F-HX4攝取增加與動脈壁厚度和斑塊區域葡萄糖代謝活性相關。

3.464Cu-雙乙酰-雙(N4-甲基氨基硫脲)[64Cu-diacetyl-bis(N4-methylthiosemicarbazone),64Cu-ATSM]乏氧顯像64Cu-ATSM是一種金屬螯合物，是目前研究較多的非硝基咪唑類顯像劑。Cu是一種對細胞膜具有高滲透性的小分子，存在4種正電子放射性同位素(60Cu、61Cu、62Cu和64Cu)，適用于PET顯像。64Cu-ATSM通過異常線粒體還原機制選擇性滯留于乏氧細胞內[27]。相比18F-FMISO及18F-EF5，64Cu-ATSM具有高效攝取和洗脫動力學特性，顯像時間更短，可作為PET乏氧顯像的一種更快速、更具選擇性的方法。NIE等[28]采用64Cu-ATSM對21只載脂蛋白E基因敲除(Apolipoprotein E-/-, APOE-/-)小鼠行PET顯像，其中6只接受高脂飼養(high-fat diet, HFD)，其余接受標準飲食(standard-chow diet, SCD)飼養，另以13只SCD飼養野生型小鼠為對照組，結果顯示SCD-APOE-/-小鼠主動脈弓攝取64Cu-ATSM明顯增高[主動脈弓SUV/肌肉SUV：HFD-APOE-/-小鼠(5.66±0.23)vs對照組(3.87±0.22)，P<0.000 1]；與對照組相比，HFD-APOE-/-小鼠主動脈弓放射性攝取亦明顯增高；HFD及SCD-APOE-/-小鼠離體主動脈弓吡咪唑染色顯示組織乏氧，且與CD68染色陽性區同時定位于AS壞死核心深部的巨噬細胞富集區。以上結果提示，64Cu-ATSM可作為一種潛在的PET乏氧示蹤劑用于AS易損斑塊成像。此外，有研究者[29]將64Cu-ATSM用于兔AS模型PET/MRI顯像，發現免疫組化吡咪唑染色陽性區域與RAM-11及HIF-1α染色陽性區域共同表達于巨噬細胞富集區，提示兔AS模型存在乏氧。64Cu-ATSM在AS易損斑塊成像方面擁有巨大潛力。

綜上所述，PET利用不同分子靶點進行成像，為探索AS病理生理機制及識別易損斑塊提供了強有力的工具。目前腫瘤PET乏氧顯像的臨床應用已相對成熟，而AS易損斑塊的PET乏氧顯像尚處于初步探索階段，圖像信噪比差及放射性示蹤劑成本較高限制了其廣泛應用。相信隨著高特異性、高靈敏度新型分子探針的開發，PET乏氧顯像將成為檢測AS易損斑塊的重要臨床手段。