靶向超聲分子成像評價血管新生的研究進展

謝佳佳 綜述 賓建平 審校

靶向超聲分子成像技術(shù)[1]是指將帶有特定配體的靶向超聲微泡經(jīng)靜脈注入體內(nèi),通過配體與受體結(jié)合的方式,使超聲微泡選擇性地聚集于靶組織或靶器官,并通過對比超聲檢查產(chǎn)生靶組織細胞水平、分子水平顯影的一種新興的成像技術(shù)。該技術(shù)標志著超聲影像學(xué)從非特異性的物理成像向特異性的靶向分子成像的轉(zhuǎn)變,是當今世界研究的熱點之一,本文就應(yīng)用靶向超聲分子成像評價血管新生的相關(guān)進展作一簡述和探討。

1.血管新生、新生血管成像的“靶向目標”及靶向超聲微泡的構(gòu)建策略

血管新生(angiogenesis)是指在機體生長發(fā)育過程中或創(chuàng)傷修復(fù)、缺血缺氧和炎癥等情況下,原有微血管內(nèi)皮細胞(endothelial cell,EC)經(jīng)過生芽、遷移、增殖與基質(zhì)重塑等形成新毛細血管的過程[2]。在組織再生、發(fā)育和創(chuàng)傷修復(fù)過程中,血管形成是一個基本的生理過程,如各種創(chuàng)傷、潰瘍、心肌梗死、慢性感染等愈合過程都需要血管形成的參與,但是在許多病理狀態(tài)下也存在血管生成失調(diào),例如糖尿病視網(wǎng)膜病、動脈硬化和實體腫瘤等嚴重危害人類健康的疾病[3]。因此,高敏感性、無創(chuàng)性、靶向性、早期定性或定量評價血管新生對于心血管疾病(主要是缺血性心臟病和外周動脈閉塞性疾病)和腫瘤性疾病都具有重要的意義。對于心血管疾病來說,通過顯示新生血管數(shù)量和空間分布來評估微血管對生長因子的早期反應(yīng),對指導(dǎo)向缺血局部組織輸送促血管合成蛋白或基因是十分有用的。對于腫瘤性疾病來說,及早顯示新生血管則能早期發(fā)現(xiàn)腫瘤及微小轉(zhuǎn)移灶,有利于腫瘤患者的治療;而動態(tài)性地監(jiān)測新生血管則可以評估抗腫瘤治療的效果[4]。

超聲分子成像的關(guān)鍵是尋找“靶向目標”,并成功制備出與“靶向目標”具有高效、特異結(jié)合能力的靶向超聲微泡。新生血管不同于正常組織的血管,它處于增殖狀態(tài),其內(nèi)皮細胞表達大量的生長因子受體和黏附分子受體家族,正是這些與血管生成密切相關(guān)的受體可以成為靶向超聲微泡的結(jié)合位點。因此,超聲微泡的靶向策略主要是針對血管新生時其內(nèi)皮細胞表達的分子,如αvβ3、VEGFR-2、組織因子等[5],從而制備出新生血管內(nèi)皮細胞的一類靶向造影劑[6],實現(xiàn)新生血管的靶向超聲分子成像。

目前,靶向微泡的構(gòu)建主要有被動性靶向(passive targeting)和主動性靶向(active targeting)兩種方法。被動性靶向主要是利用微泡外殼本身的帶電荷性,使微泡容易在炎癥或損傷部位被炎癥細胞吞噬而實現(xiàn)的,但是該機制缺乏高度的特異性和靶向性,結(jié)合能力低,限制了其在靶向超聲分子成像技術(shù)中的應(yīng)用。主動性靶向則是在微泡表面連接特異性的抗體或配體,使微泡能結(jié)合到病變部位細胞所表達的特異性抗原上[7～9]。微泡不再需要通過白細胞的介導(dǎo),而是直接與病變組織和器官的小血管內(nèi)皮細胞結(jié)合。這一機制避免了吞噬細胞對微泡的破壞,具有高度特異性和靶向性的特點,已成為靶向微泡構(gòu)建的主要方式。

2.腫瘤血管新生的分子成像

2.1 整合素靶向微泡 整合素家族是一個內(nèi)皮細胞膜蛋白家族,它是一種跨膜黏附受體,作為含有精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸多肽的細胞外基質(zhì)蛋白的黏附受體,能夠控制腫瘤血管內(nèi)皮細胞的增殖和存活。αvβ3受體是整合素家族中最重要的一種分子,它在靜息細胞內(nèi)幾乎不表達,在平滑肌細胞上也是僅有少量的表達,而在腫瘤新生血管和腫瘤細胞均有高表達[10]。因此,利用作用于αvβ3的靶向微泡將可以實現(xiàn)腫瘤新生血管的顯影。Leong-Poi等[11]利用基質(zhì)膠血管新生模型觀察到攜帶抗αv單抗或者echistatin(一種與表達在新生血管內(nèi)皮細胞特定分子結(jié)合的、由68個氨基酸結(jié)合的解離素)的超聲微泡能有效地黏附于基質(zhì)膠新生血管內(nèi)皮上,而非靶向微泡則未見有效的黏附?；讦羦β3是腫瘤新生血管內(nèi)皮上表達的特異性受體,Ellegala等[12]將抗αvβ3單抗連接到脂質(zhì)微泡表面,利用抗原抗體特異性結(jié)合的性質(zhì)實現(xiàn)了腫瘤靶向超聲顯像的目的。他們在成功復(fù)制大鼠腦膠質(zhì)瘤模型的基礎(chǔ)上,注入靶向超聲微泡,在體顯微鏡下發(fā)現(xiàn)靶向微泡更多地聚集在腫瘤微血管內(nèi),而非靶向微泡則無此現(xiàn)象,同時觀察到靶向微泡信號更多地集中在整合素表達最多的腫瘤周邊部位,并且其信號強弱與腫瘤血管內(nèi)血流量呈正顯著相關(guān)。

2.2 血管內(nèi)皮生長因子及其受體的靶向微泡 血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelialgrow th factor,VEGF)的表達與血管形成程度之間有緊密的聯(lián)系。通常情況下,單獨的VEGF表達水平處于靜息狀態(tài),只有當它與其受體(vascu lar endothelial grow th factor receptor,VEGFR)結(jié)合后才能發(fā)揮作用。其中, VEGFR-2是VEGF發(fā)揮功能的主要受體,它的活性與腫瘤的轉(zhuǎn)移和保持血管的完整性有關(guān)。因此,利用靶向作用于VEGFR-2的靶向微泡也可以實現(xiàn)腫瘤新生血管的顯影。W illmann等[13]將攜帶抗VEGFR-2單抗的脂質(zhì)微泡用于評價腫瘤血管新生,在成功復(fù)制大鼠膠質(zhì)瘤和小鼠血管肉瘤模型的基礎(chǔ)上,注入靶向和非靶向超聲微泡,觀察到在兩種不同的腫瘤模型中靶向微泡的信號均要明顯強于非靶向微泡。Rychak等[14]也在這方面進行了有益的探索,研究發(fā)現(xiàn)攜帶抗VEGFR-2單抗的靶向微泡與人黑色素瘤新生血管內(nèi)皮細胞的結(jié)合要明顯高于非靶向微泡,靶向微泡的信號強度約為非靶向微泡的2倍,初步實現(xiàn)了腫瘤血管的靶向顯影。

2.3 其他靶分子的靶向微泡 目前,尚有其他的靶分子可以實現(xiàn)新生血管的分子成像。Weller等[15]假設(shè)結(jié)合有A rginine-A rginine-Leucine(RRL)序列的脂質(zhì)微泡可優(yōu)先黏附于腫瘤新生血管,既而在前列腺腫瘤模型上分別注入攜帶有RRL序列的靶向微泡和非靶向微泡,結(jié)果發(fā)現(xiàn):攜帶有RRL序列的靶向微泡的信號強度約為非靶向微泡的10倍。但目前,該靶向微泡的靶分子尚未明確。

2.4 雙靶向超聲微泡 目前,雙靶向微泡的制備已經(jīng)取得了成功并應(yīng)用于腫瘤血管新生的評價。Willmann等[16]成功制備同時攜帶抗VEGFR-2單抗和抗αvβ3單抗的雙靶向微泡,并將其用于評價人卵巢癌模型。他們分別注入攜帶有抗VEGFR-2單抗和抗αvβ3單抗的雙靶向微泡、抗VEGFR-2單抗微泡和抗αvβ3單抗微泡,結(jié)果發(fā)現(xiàn)雙靶向微泡的信號強度要明顯強于兩種不同的單靶向微泡。雙靶向微泡造影劑的出現(xiàn)大大地提高了靶向超聲分子成像技術(shù)評價腫瘤血管新生的敏感性,更加有利于腫瘤的早期發(fā)現(xiàn)和療效的動態(tài)監(jiān)測。

3.心血管疾病血管新生的分子成像

對于缺血性心臟病和外周動脈閉塞性疾病來說,炎癥反應(yīng)對于其血流恢復(fù)具有重要的作用[17]。通過增加外周血中單核細胞濃度能夠促進缺血下肢的血管重構(gòu)[18],但如果抑制細胞黏附分子或MCP-1的信號通路,則會減少血管重構(gòu)[19]。這就為心血管疾病的靶向分子成像提供了新的思路,即超聲微泡的靶向策略不僅可針對新生血管內(nèi)皮細胞表達的特異性分子,也可針對血管新生過程中征募的炎癥細胞。

3.1 內(nèi)皮細胞整合素靶向微泡 Leong-Poi等[20]將標記echistatin的微泡用于評價外周動脈閉塞性疾病的血管重構(gòu)情況。通過結(jié)扎髂外動脈建立了大鼠下肢缺血模型,并將其分為堿性成纖維細胞生長因子(basic fibrob last grow th factor,bFGF)治療組和非治療組,利用攜帶echistatin的靶向微泡評價其血管重構(gòu)。結(jié)果表明:無論是治療組還是非治療組,靶向分子成像都能在缺血下肢的血流恢復(fù)之前探測到分子信號,成功評價治療性或內(nèi)源性血管新生。

3.2 炎癥細胞靶向微泡 Behm等[21]在這方面進行了有益的探索。通過結(jié)扎小鼠一側(cè)髂總動脈建立了下肢缺血模型。分別注入靶向作用于中性粒細胞補體受體、單核細胞α5-整合素、vascu lar cell adhesionmolecu le(VCAM-1)的超聲微泡,結(jié)果發(fā)現(xiàn):在缺血下肢血流恢復(fù)之前,即可探測到這3種靶向微泡的分子信號,提示這3種靶向分子成像具有預(yù)示血管新生的作用。

4.存在的問題

國內(nèi)外研究都證實了攜帶特異性配體的靶向超聲微泡具有一定的新生血管靶向能力,為新生血管的早期定位診斷提供了一種新思路和新手段,具有廣泛的應(yīng)用前景。但是,目前該技術(shù)仍處于實驗研究的起步階段,從基礎(chǔ)研究走上臨床應(yīng)用還需要解決以下問題:①單克隆抗體-微泡復(fù)合物構(gòu)筑的靶向微泡分子量過大,體內(nèi)應(yīng)用時普遍存在組織穿透力弱,靜脈注射后實際到達靶部位的濃度低,顯像效果不理想等缺陷,嚴重限制了靶向超聲分子成像的臨床實際應(yīng)用[22]。因此,進一步改進和優(yōu)化靶向超聲微泡的構(gòu)建技術(shù),制備出穿透力強、尋靶作用強,且顯影效果好、安全性高的靶向超聲微泡將成為靶向聲學(xué)顯像領(lǐng)域中重要的研究方向之一。②進一步在血管新生模型上探討其分子學(xué)圖像特征和效果,使超聲微泡技術(shù)發(fā)展成為一種評價血管新生的分子影像技術(shù)。

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