18F-FLT PET成像在動物實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

全震，王瑞峰，孫夕林，申寶忠

哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院 TOF-PET/CT/MR中心，哈爾濱醫(yī)科大學(xué)分子影像研究中心，黑龍江哈爾濱 150028；

1998年，Shields等[1]首次提出利用18F-氟代胸苷（18F-fluorothymidine，18F-FLT）PET成像作為非侵入性評估腫瘤細(xì)胞增殖的工具，這種新型PET顯像劑受到廣泛關(guān)注，并應(yīng)用于臨床及動物實(shí)驗(yàn)研究。

18F-FLT是胸腺嘧啶類似物，主要通過被動擴(kuò)散和 Na+依賴的轉(zhuǎn)運(yùn)體進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。胸苷激酶-1（thymidine kinase 1，TK1）是DNA合成補(bǔ)救途徑的關(guān)鍵酶，催化胸苷磷酸化為胸苷-磷酸。18F-FLT因與胸苷結(jié)構(gòu)類似，可被TK1在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)磷酸化形成18FFLT-單磷酸。由于3'端被18F替代，18F-FLT-單磷酸不能繼續(xù)參與 DNA合成而蓄積于細(xì)胞內(nèi)。TK1僅在DNA合成期表達(dá)，其活性在靜止的非增殖細(xì)胞內(nèi)很低，但在增殖細(xì)胞G1后期和S期會增加到10倍以上[2]。因此18F-FLT可通過反映TK1的活性間接反映細(xì)胞增殖[3]。

18F-氟脫氧葡萄糖（18F-fluorodeoxyglucose，18FFDG）是目前應(yīng)用最為廣泛的PET示蹤劑，但18F-FDG診斷腫瘤的特異性相對較低，因部分炎性病變在其示蹤成像時呈現(xiàn)腫瘤樣攝取特點(diǎn)，而18F-FLT不受炎癥的干擾，在腫瘤診斷方面具有更高的特異性，可以作為18F-FDG的重要補(bǔ)充[4-5]。

18F-FLT PET在動物實(shí)驗(yàn)方面得到廣泛應(yīng)用，主要用于研究疾病的病理生理過程、藥物作用機(jī)制和療效監(jiān)測，其結(jié)果對臨床研究有重要的指導(dǎo)作用。然而，影響18F-FLT在動物模型中的腫瘤及組織攝取的因素很復(fù)雜，并且存在明顯的種屬差異[1]，導(dǎo)致18F-FLT PET在動物實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用存在很多局限性。當(dāng)在動物實(shí)驗(yàn)中選擇18F-FLT PET評價增殖狀態(tài)時，需要考慮這些因素才能取得好的結(jié)果，以更好地指導(dǎo)臨床。本文對18F-FLT在不同種屬動物實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用價值、局限性及攝取影響因素進(jìn)行總結(jié)。

1 18F-FLT PET成像在小鼠動物模型中的應(yīng)用

1.1 在腫瘤模型研究中的應(yīng)用及局限性18F-FLT PET在動物實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用價值主要體現(xiàn)在小鼠腫瘤模型。近年來，其在小鼠肺癌、膠質(zhì)瘤、結(jié)腸癌、淋巴瘤等腫瘤模型中的應(yīng)用獲得了諸多理想的研究成果，在研究化療、放療及靶向治療等腫瘤治療的療效監(jiān)測及藥物作用機(jī)制方面均有良好的前景[6]。但18F-FLT PET在小鼠腫瘤模型中的應(yīng)用也存在一定的局限性，且在日常研究中常易被忽視。Barthel等[7]報道18F-FLT PET在小鼠肝臟腫瘤中的研究存在限制，其原因是18F-FLT在小鼠和人肝臟組織的代謝水平存在明顯差異，這種差異是由小鼠和人的肝臟葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶表達(dá)差異所致。Katz等[8]采用順鉑和多西紫杉醇聯(lián)合治療小鼠模型的 p53功能缺失的肺癌 CALU-6移植瘤，72 h后監(jiān)測不到18F-FLT攝取下降，也不反映腫瘤的生長抑制，其原因是在p53功能缺失情況下，TK1的細(xì)胞周期調(diào)控缺失，無法檢測到18F-FLT攝取，導(dǎo)致18F-FLT在預(yù)測p53功能缺失的肺惡性腫瘤對DNA損傷劑的治療反應(yīng)失敗。Fuereder等[9]在小鼠胃癌模型中發(fā)現(xiàn)，18F-FLT監(jiān)測不到磷酸肌醇 3-激酶抑制劑或哺乳動物雷帕霉素靶蛋白抑制劑 BEZ235對MKN28和 MKN45腫瘤的抗腫瘤作用，可能與體內(nèi)BEZ235的敏感性與TK1下調(diào)相關(guān)。此外，在利用小鼠模型評價胸苷酸合成酶（thymidylate synthase，TS）抑制劑如5-氟尿嘧啶（5-fluorouracil，5-FU）對腫瘤進(jìn)行治療時也常遇到問題，其原因是 TS抑制劑會增加TK1活性，導(dǎo)致DNA合成的補(bǔ)救途徑增加，造成治療早期18F-FLT攝取暫時升高，即“flare”效應(yīng)[10]，而TS抑制劑的作用是抑制增殖，此時的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不可靠。Zhang等[11]提出18F-FLT PET不能“點(diǎn)亮”所有增殖的腫瘤，在部分快速生長的腫瘤如Raji和MDA-MB-231模型，盡管TK1表達(dá)高，但18F-FLT攝取很低，該研究認(rèn)為這是由于Raji和MDA-MB-231腫瘤內(nèi)源性胸苷表達(dá)量高，與18F-FLT競爭TK1結(jié)合位點(diǎn)，抑制了18F-FLT攝取。在上述情況下，18F-FLT PET對腫瘤的增殖評價不準(zhǔn)確，提示利用18F-FLT PET進(jìn)行小鼠動物實(shí)驗(yàn)評價增殖狀態(tài)時，需要考慮到上述因素。

1.2 在非腫瘤模型研究中的應(yīng)用及其局限性18F-FLT PET在小鼠非腫瘤模型中的應(yīng)用較少。Moraga等[12]報道了18F-FLT PET在小鼠腦梗死模型中的應(yīng)用，通過18F-FLT PET成像研究toll樣受體-4（toll-like receptor 4，TLR4）對腦缺血后神經(jīng)再生和炎癥的影響，成功監(jiān)測到缺乏TLR4所致神經(jīng)再生及腦缺血后的急性炎癥反應(yīng)的抑制。在對肺包蟲病的體外實(shí)驗(yàn)研究中，Porot等[13]和Rolle等[14]均發(fā)現(xiàn)肺包蟲對18F-FLT攝取升高。然而，Porot等[13]在小鼠肺包蟲病模型PET成像中未發(fā)現(xiàn)18F-FLT攝取，而Rolle等[14]發(fā)現(xiàn)18F-FLT攝取升高，可能是由感染部位的炎癥所致。Stefan等[15]通過18F-FLT PET檢測耶爾森菌感染誘導(dǎo)的組織增生，結(jié)果僅發(fā)現(xiàn)18F-FLT在脾臟有低劑量的背景攝取，并且攝取與感染細(xì)菌的劑量無關(guān)，提示18F-FLT不適合于在小鼠模型研究耶爾森菌感染誘導(dǎo)的組織增生。因此，18F-FLT PET在小鼠非腫瘤模型中的應(yīng)用并不理想，臨床轉(zhuǎn)化價值較為有限，但上述研究為后續(xù)探討非腫瘤模型的病理生理機(jī)制提供了更廣闊的思路，18F-FLT PET在非腫瘤模型中的應(yīng)用價值有待進(jìn)一步探索。

2 18F-FLT PET成像在大鼠動物模型中的應(yīng)用

18F-FLT PET在大鼠腫瘤模型中的應(yīng)用研究較少，而在炎癥、組織再生等非腫瘤模型中應(yīng)用相對較多。在腫瘤學(xué)方面，18F-FLT PET能在治療早期預(yù)測替莫唑胺聯(lián)合貝伐單抗治療復(fù)發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤模型的療效[16]，較MRI的特異度和敏感度更高。在非腫瘤學(xué)方面，Rendon等[17]對大鼠骨髓進(jìn)行X線照射，誘導(dǎo)骨髓和骨髓-血液屏障破壞，18F-FLT PET可以監(jiān)測骨髓損傷的再生修復(fù)，為臨床管理輻射受害者和放射治療患者提供了重要指導(dǎo)；Rueger等[18]對大鼠在藥物刺激后研究其神經(jīng)干細(xì)胞的再生能力，發(fā)現(xiàn)18F-FLT PET能定量研究在體內(nèi)由藥物刺激或局灶性腦缺血引起的神經(jīng)干細(xì)胞動員增加。此外，該研究在成年大鼠中誘導(dǎo)永久性腦缺血，用米諾環(huán)素處理后，發(fā)現(xiàn)18F-FLT PET測量的室下區(qū)中的內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞激活與梗死體積具有較好的相關(guān)性，有助于開發(fā)中風(fēng)治療的新療法[19]；Skovgaard等[20]通過18F-FLT PET監(jiān)測到，在跑步機(jī)上跑步的大鼠小腿肌肉和跟腱肌肉18F-FLT攝取增加，證明18F-FLT PET可用于研究運(yùn)動誘導(dǎo)的細(xì)胞增殖。

18F-FLT在大鼠模型中的應(yīng)用也有一定的局限性。Buck等[21]研究發(fā)現(xiàn)18F-FLT PET不能用于檢測脊髓炎性病變，因?yàn)樵诖笫篌w內(nèi)18F-FLT攝取相當(dāng)分散，在脊髓炎性病變中，它反映少突膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞的增殖，而非免疫細(xì)胞增殖。大鼠血清胸苷水平是人體的 9～16倍[22]，大量內(nèi)源性胸苷與18F-FLT競爭Tk1的結(jié)合位點(diǎn)，降低18F-FLT在大鼠腫瘤或組織中的攝取，導(dǎo)致18F-FLT的敏感性降低[5]。

3 18F-FLT PET成像在兔動物模型中的應(yīng)用

Ye等[23]對動脈粥樣硬化兔研究發(fā)現(xiàn)，具有18FFDG高攝取的血管區(qū)域的18F-FLT攝取增加；當(dāng)造血細(xì)胞增殖減少時，18F-FLT可用于研究巨噬細(xì)胞供應(yīng)。因此，18F-FLT可作為動脈粥樣硬化個體斑塊和造血活性細(xì)胞增殖成像的生物標(biāo)志物。然而在該研究中，18FFLT在兔動脈粥樣硬化斑塊攝取很低，最后未能提供在動脈粥樣硬化兔進(jìn)行18F-FLT PET成像的結(jié)果。18FFLT在兔模型中的應(yīng)用局限性亦有報道。Probst等[24]在乳頭瘤病毒誘導(dǎo)的兔腫瘤模型的研究發(fā)現(xiàn)，18F-FLT PET無法檢測出腫瘤，推測是由該腫瘤的增殖速度緩慢所致。Tan等[25]在兔的膿腫和肉芽腫模型研究中發(fā)現(xiàn)，PET成像膿腫部位18F-FLT攝取明顯高于肉芽腫，細(xì)菌在繁殖階段攝取大量的18F-FLT，而在細(xì)菌非生殖期或細(xì)菌炎癥的慢性期18F-FLT攝取低，提示18F-FLT在兔動物模型中并非腫瘤特異的示蹤劑，它也會被增殖的細(xì)菌或病毒相關(guān)的炎性病變攝取。以上研究表明，18F-FLT在兔的腫瘤和組織中攝取較低，可能會限制其在兔模型中進(jìn)行成像研究。另外，影響18F-FLT在兔體內(nèi)攝取的因素和提高攝取的方法尚不明確，還需要進(jìn)一步深入探討。

4 18F-FLT PET成像在其他動物模型中的應(yīng)用

1998年，Shields等[1]首次將18F-FLT PET應(yīng)用于非霍奇金淋巴瘤模型狗的研究，也是第一個在動物模型中進(jìn)行18F-FLT PET成像的報道。結(jié)果顯示18F-FLT在狗非霍奇金淋巴瘤的攝取比骨髓更高。18F-FLT在狗的肝臟中攝取很低，其原因是狗的肝臟葡糖醛酸化能力與人體有顯著差異。Lawrence等[26]報道18F-FLT PET可以評估狗非霍奇金淋巴瘤對細(xì)胞毒性化療反應(yīng)并預(yù)測腫瘤復(fù)發(fā)。

Rowe等[27]首次對健康貓進(jìn)行18F-FLT PET成像研究。18F-FLT的生理攝取在造血骨髓、腸和肝膽中較高，在正常腦、肺、心肌、骨骼肌和脾臟中很少。理論上，貓的肝臟葡萄糖醛酸化能力差，18F-FLT在貓的肝臟攝取應(yīng)該很低，類似于狗的表現(xiàn)。然而18F-FLT在貓肝實(shí)質(zhì)內(nèi)呈中度攝取，推測可能是存在某種替代途徑負(fù)責(zé)肝臟代謝。18F-FLT在貓體內(nèi)代謝的機(jī)制需要進(jìn)一步研究。

5 動物實(shí)驗(yàn)研究中影響18F-FLT攝取的因素

18F-FLT攝取在人與動物之間存在種屬差異，主要表現(xiàn)為其在腫瘤和正常組織生物分布上的差異。此外，還有許多因素影響18F-FLT在動物腫瘤及組織的攝取。

5.1 TK1的影響 McKinley等[28]的研究證實(shí)了18F-FLT攝取對DNA補(bǔ)救途徑和TK1表達(dá)的依賴性，任何影響TK1表達(dá)的因素均會影響18F-FLT攝取。Moroz等[29]研究發(fā)現(xiàn)18F-FLT PET能監(jiān)測小鼠結(jié)腸癌HCT116腫瘤的療效，但不能監(jiān)測SW620腫瘤的療效，因?yàn)镾W620腫瘤TK1含量遠(yuǎn)低于HCT116腫瘤，SW620腫瘤增殖更依賴從頭合成，導(dǎo)致對18F-FLT親和力降低，表明胸苷從頭合成是18F-FLT PET成像定量研究腫瘤增殖的限制因素。

5.2 TS抑制劑18F-FLT攝取增加不一定反映腫瘤細(xì)胞增殖能力增強(qiáng)，如TS抑制劑可以改變TK1的活性，引起“flare”效應(yīng)，這種效應(yīng)掩蓋了5-FU的抗增殖作用。在5-FU治療后，大鼠腫瘤模型的“flare”效應(yīng)發(fā)生于第4～7天[30]。小鼠腫瘤模型的“flare”效應(yīng)發(fā)生于治療后1 h～1 d[10]。因此，使用18F-FLT PET成像評價TS抑制劑的治療反應(yīng)時，掌握“flare”效應(yīng)發(fā)生的時間，避免“flare”效應(yīng)的影響十分重要[31]。

5.3 ATP水平 ATP是實(shí)現(xiàn)TK1活性的重要輔助因子。Barthel等[7]在小鼠纖維肉瘤中用 5-FU治療，盡管TK1蛋白表達(dá)增加，但由于ATP水平降低導(dǎo)致TK1催化活性降低，治療后48 h18F-FLT攝取減少，表明ATP水平?jīng)Q定了18F-FLT攝取。

5.4 核苷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 人類平衡型核苷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（human equilibrative nucleoside transporter 1，hENT-1）的表達(dá)也可能會影響18F-FLT的攝取。Paproski等[32]發(fā)現(xiàn)hENT1活性喪失會顯著影響小鼠的18F-FLT生物分布和在皮下移植瘤中的攝取，表明核苷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是正常和轉(zhuǎn)化細(xì)胞中18F-FLT攝取的重要介質(zhì)。

5.5 內(nèi)源性胸苷水平 嚙齒動物血漿中的胸苷水平遠(yuǎn)高于人類[22]，大量的內(nèi)源性胸苷與18F-FLT競爭TK1結(jié)合位點(diǎn)，降低18F-FLT攝取。Zhang等[11]在小鼠不同皮下移植瘤中發(fā)現(xiàn)，腫瘤的生長速度、Ki-67、TK1表達(dá)量與18F-FLT攝取量之間無相關(guān)性，是由18FFLT與內(nèi)源性胸苷的競爭所致。但Heinzmann等[33]提出了不同觀點(diǎn)，該研究發(fā)現(xiàn)腫瘤胸苷濃度與18F-FLT攝取無相關(guān)性，推測單獨(dú)的腫瘤中的內(nèi)源性胸苷濃度不足以預(yù)測18F-FLT攝取。

為了減少18F-FLT攝取影響因素的作用，研究人員嘗試了不同方法改進(jìn)動物模型的實(shí)驗(yàn)研究。van Waarde等[5]提出在大鼠進(jìn)行18F-FLT PET成像前應(yīng)注射胸苷磷酸化酶（thymidine phosphorylase，TP）進(jìn)行預(yù)處理，減少內(nèi)源性胸苷的影響，以提高18F-FLT在大鼠腫瘤和正常組織中的攝取。該研究在大鼠C6腫瘤模型注入TP后，于腫瘤、骨、骨髓、大腸、小腸和脾臟中觀察到18F-FLT的生理性攝取水平高于血漿。目前 TP預(yù)處理的方法主要應(yīng)用于大鼠，尚無應(yīng)用于小鼠、兔等其他動物的報道。Viertl等[34]在小鼠皮下移植瘤模型研究中，應(yīng)用5-氟-2'-脫氧尿苷（5-fluoro-2′-deoxyuridine，F(xiàn)dUrd）進(jìn)行預(yù)處理，以提高18F-FLT在小鼠腫瘤及組織攝取的方法，結(jié)果顯示在不同皮下移植腫瘤模型中18F-FLT的攝取明顯增加。因此，F(xiàn)dUrd可作為18F-FLT PET成像的增敏劑。FdUrd提高18FFLT在小鼠腫瘤及組織攝取的原理是：FdUrd是5-FU的代謝物，直接阻斷內(nèi)源性胸苷合成，但對其他核苷酸途徑無顯著影響；阻斷胸苷從頭合成途徑增強(qiáng)了補(bǔ)救途徑和核苷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，促進(jìn)外源性胸苷和胸苷類似物的細(xì)胞攝取。

5.6 其他 Huang等[35]在小鼠肺癌模型中發(fā)現(xiàn)，增殖率低的乏氧癌細(xì)胞18F-FDG攝取高，但18F-FLT攝取低；而增殖率高的富氧癌細(xì)胞結(jié)果相反，提示乏氧可能影響動物實(shí)驗(yàn)中的18F-FLT攝取。Fuchs等[36]在小鼠炎癥和腫瘤模型中的研究發(fā)現(xiàn)，用氧呼吸的、處于清醒狀態(tài)的小鼠會發(fā)生持續(xù)呼吸性酸中毒，而酸中毒會降低細(xì)胞增殖，影響炎癥組織和腫瘤對18F-FLT的攝取。因此，在小鼠進(jìn)行18F-FLT PET成像實(shí)驗(yàn)時應(yīng)使用空氣呼吸。

6 總結(jié)與展望

18F-FLT作為反映細(xì)胞增殖的PET顯像劑，在臨床前研究中有巨大的優(yōu)勢和潛力。但由于影響18F-FLT在動物體內(nèi)攝取的復(fù)雜性以及與人類之間存在的種屬差異，導(dǎo)致18F-FLT從動物實(shí)驗(yàn)中獲得的結(jié)果向臨床轉(zhuǎn)化時具有局限性。在進(jìn)行相關(guān)研究時，要充分考慮上述因素，從而避免研究中可能存在的“陷阱”。進(jìn)行動物實(shí)驗(yàn)研究時，根據(jù)18F-FLT在該動物模型中的生物分布及代謝特點(diǎn)，對其在該模型中的可行性提前做出預(yù)判，或選擇正確的預(yù)處理方式，提高腫瘤或組織對18F-FLT的敏感性，有助于獲得成功。關(guān)于18FFLT在動物實(shí)驗(yàn)中存在的問題，也有諸多難以解釋的現(xiàn)象，有待后續(xù)研究進(jìn)一步探索。