PET分子成像在肺部疾病診療中的臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用

苗 爽 楊麗麗 陳維芝 徐佐宇 孫夕林

分子影像學(xué)是分子生物學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)之間的交叉學(xué)科，在肺部疾病的診療中起重要作用。分子影像是在細(xì)胞和分子水平上，對(duì)人或者其他生命體內(nèi)的生物學(xué)過程進(jìn)行的成像、表征和測(cè)量。分子成像技術(shù)，具有精準(zhǔn)、靶向等優(yōu)勢(shì)，可以克服傳統(tǒng)成像技術(shù)的局限性，以實(shí)現(xiàn)在分子水平對(duì)疾病的精確診斷及治療。分子成像探針是分子影像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分子水平代謝及功能信息的核心和關(guān)鍵。尤其以具有高敏感度、高特異性、生物相容性等優(yōu)點(diǎn)的正電子放射性核素標(biāo)記類的分子成像探針最具代表性。PET/CT應(yīng)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(xiàn)出PET/CT在分子成像中的作用和價(jià)值。其PET成像技術(shù)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、敏感度高、絕對(duì)定量、臨床轉(zhuǎn)化潛力大等。

PET成像技術(shù)可以從分子水平獲得放射性藥物在相應(yīng)靶點(diǎn)的表達(dá)信息，對(duì)疾病全面發(fā)現(xiàn)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(fā)生率高，使用影像學(xué)方法可進(jìn)行檢測(cè)但不易進(jìn)行鑒別診斷。PET/CT分子成像致力于通過研發(fā)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(yīng)用于臨床診療，本文以肺癌、慢性阻塞性肺氣腫、哮喘及特發(fā)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(yīng)用。本綜述以期為新型靶向性正電子放射性藥物的設(shè)計(jì)、合成、研發(fā)和應(yīng)用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，為新型的分子成像探針的轉(zhuǎn)化應(yīng)用提供全新思路及拓寬領(lǐng)域應(yīng)用。

一、PET分子成像在肺癌診療中的臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用

在全球男性中與癌癥相關(guān)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(tǒng)計(jì)表明，美國與癌癥相關(guān)的死亡25%以上由肺癌引起[1]。隨著肺癌發(fā)生率越來越高，大部分患者確診已處于中、晚期階段，錯(cuò)失醫(yī)治最佳時(shí)機(jī)。非小細(xì)胞肺癌是肺癌的主要組織學(xué)亞型，其Ⅳ期非小細(xì)胞肺癌患者的預(yù)后很差，5年生存率<5%。對(duì)肺癌早期特異性診斷，適當(dāng)分期分型，評(píng)估肺病治療效果對(duì)改善肺癌患者的轉(zhuǎn)歸及預(yù)后十分重要。

1.早期鑒別肺部疾病良惡性:據(jù)報(bào)道美國每年新發(fā)約150000例孤立性肺結(jié)節(jié)(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(guān)注。傳統(tǒng)影像學(xué)方法由于其二維特性疾病檢測(cè)能力受到限制。隨著胸部CT廣泛應(yīng)用SPN的檢出率顯著提高。開發(fā)新型PET分子靶向相關(guān)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(bào)告了一種68Ga放射標(biāo)記的RGD肽試劑盒，對(duì)非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物的血液和尿液進(jìn)行藥代動(dòng)力學(xué)和生物分布分析，展現(xiàn)出良好示蹤劑性質(zhì)。進(jìn)一步研究該試劑盒臨床相關(guān)性，在3例臨床肺病患者中進(jìn)行適用性評(píng)估，68Ga-NOTA-RGD 可在人非惡性組織中描繪出SPN，有益于臨床醫(yī)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(xì)胞肺癌(non-small cell lung cancer, NSCLC)約占肺癌病例的80%，其肺腺癌中表達(dá)表皮生長(zhǎng)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(xì)胞外配體結(jié)合域、疏水跨膜結(jié)構(gòu)域以及細(xì)胞內(nèi)酪氨酸激酶結(jié)構(gòu)域。

西妥昔單抗是一類直接靶向EGFR胞外段結(jié)構(gòu)域單克隆抗體，阻斷下游信號(hào)通路轉(zhuǎn)導(dǎo)。以往的報(bào)道中用89Zr(78.41h)或177Lu(6.65天)標(biāo)記西妥昔單抗比64Cu標(biāo)記的分子探針具有更長(zhǎng)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(biāo)記抗體的EGFR表達(dá)，限制了這類探針在臨床方面的應(yīng)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(biāo)記一種新型蛋白支架repebody (rEgA)，可直接靶向EGFR胞外段結(jié)構(gòu)域。注射64Cu-rEgA 1h后可觀察到腫瘤中EGFR高表達(dá)，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(cè)到的為EGFR酪氨酸激酶結(jié)構(gòu)域激活突變。Abourbeh等[7]合成11C-erlotinib評(píng)估動(dòng)物模型中4種EGFR表達(dá)不同的TK域中常見的激活突變NSCLC細(xì)胞系。PET動(dòng)物在體顯像發(fā)現(xiàn)11C-erlotinib在delE746-A750突變(HCC827)腫瘤模型中攝取最高且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),可用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)EGFR的突變狀態(tài)。為了通過PET成像無創(chuàng)檢測(cè)適用于EGFR-TKI治療的原發(fā)性L858R突變患者，Makino團(tuán)隊(duì)合成了[18F] FTP2[8]。在荷瘤鼠動(dòng)物PET研究中，表達(dá)L858R突變EGFR的 H3255腫瘤比表達(dá)L858R/T790M雙突變EGFR的 H1975腫瘤攝取更高，[18F]FTP2在應(yīng)用于臨床檢測(cè)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(yīng)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(jiǎn)化靶向治療前的患者分層與選擇。2018年，Sun等[9]研發(fā)了一種新型分子成像探針18F-MPG。臨床前研究對(duì)荷瘤鼠進(jìn)行18F-MPG PET成像及生物分布，從定量結(jié)果中明顯看到,18F-MPG攝取的高低與EGFR突變狀態(tài)存在高度相關(guān)性。EGFR突變型HCC827腫瘤對(duì)18F-MPG的攝取明顯高于EGFR野生型和二次突變耐藥型腫瘤對(duì)18F-MPG的攝取程度。說明該探針可以篩選出EGFR突變型患者。因?yàn)樵贓GFR分型中，EGFR突變型患者是藥物敏感型，使用相應(yīng)的靶向藥物治療可能會(huì)更有效。為了驗(yàn)證了這一預(yù)期，其團(tuán)隊(duì)成功的將18F-MPG進(jìn)行臨床轉(zhuǎn)化，應(yīng)用于75例肺癌受試者中，經(jīng)過篩選的藥物敏感型患者癥狀緩解率為81.58%，未經(jīng)篩選的患者癥狀緩解僅占46.48%。同時(shí)該探針可以用來指示患者是否出現(xiàn)二次突變以致產(chǎn)生耐藥性，根據(jù)探針攝取的吸收值大幅度變動(dòng)及時(shí)調(diào)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(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)肺癌的先“診”后“療”精準(zhǔn)臨床策略有巨大應(yīng)用價(jià)值。

4.肺癌治療中的應(yīng)用:肺源性神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤(neuroendocrine tumors, NET)主要包括小細(xì)胞肺癌、大細(xì)胞肺癌、典型類癌和非典型類癌。NET的癥狀表現(xiàn)形式各異，對(duì)NET進(jìn)行診斷及治療具有極大挑戰(zhàn)性。正電子發(fā)射斷層掃描PET與68Ga標(biāo)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(biāo)記放射性藥物PET成像對(duì)肺部典型/非典型類癌患者檢出率達(dá)到90%[10]。Backhaus等[11]的研究中使用177Lu標(biāo)記藥物DOTATATE，并對(duì)1例54歲的非典型(WHO Ⅱ級(jí))腦膜瘤男性患者進(jìn)行1個(gè)周期的177Lu-DOTATATE的肽受體放射性核素治療(PRRT)，治療后發(fā)現(xiàn)了先前未發(fā)現(xiàn)的非典型腦膜瘤肺部轉(zhuǎn)移引起的胸腔攝取。該病例呈現(xiàn)177Lu-DOTATATE在臨床上識(shí)別惡性腫瘤肺轉(zhuǎn)移方面的價(jià)值。最新的研究中，Zhang等[12]報(bào)告了患有前列腺癌肺轉(zhuǎn)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(duì)治療耐受性良好無明顯不良反應(yīng)，治療后肺轉(zhuǎn)移腫瘤完全消退。在今后的研究中177Lu標(biāo)記的分子探針可能在臨床上檢測(cè)肺癌的同時(shí)治療肺癌，實(shí)現(xiàn)診療一體化。

二、PET分子成像在慢性肺病診療中的臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用

慢性呼吸系統(tǒng)疾病包括慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)及哮喘。COPD可出現(xiàn)呼吸困難、反復(fù)性呼吸道感染等癥狀，與已知的危險(xiǎn)因素如暴露于煙草煙霧和職業(yè)蒸汽有關(guān)[13]。診斷COPD的金標(biāo)準(zhǔn)是肺功能測(cè)試(PFT)，支氣管擴(kuò)張劑后1s內(nèi)所占比例與強(qiáng)制肺活量之比(FEV1/FVC)<0.70表示持續(xù)氣流受限[13]。傳統(tǒng)的影像學(xué)檢查為人們對(duì)COPD的理解做出了重大貢獻(xiàn)，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(jià)值(表1)。哮喘是另一種常見的慢性呼吸系統(tǒng)疾病，可導(dǎo)致氣流阻塞和類似于COPD的癥狀，但不同之處在于，通過適當(dāng)?shù)闹委熆芍斡Ｏ幸韵聨追N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(fā)生，檢查結(jié)果通常是正常的。所以胸部X線片和CT掃描對(duì)哮喘的診斷作用很小，通常不會(huì)顯示任何結(jié)構(gòu)異常。

表1 常用肺部成像方式特征

考慮到傳統(tǒng)的影像學(xué)方法在慢性呼吸系統(tǒng)疾病的診斷中起著有限的作用，因此開發(fā)新型PET分子成像探針可為新的策略。誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)是在肺上皮中組成性表達(dá)的3種一氧化氮合酶同工型之一，與哮喘和COPD的嚴(yán)重程度和進(jìn)展相關(guān)，在許多以炎癥為特征的慢性呼吸道疾病中表達(dá)均增加。18F(+/-)NOS是一種靶向iNOS的PET示蹤劑，已在內(nèi)毒素誘導(dǎo)的肺部炎癥動(dòng)物模型中進(jìn)行了臨床前評(píng)估[14]。為了證明該示蹤劑在人類中的表現(xiàn)類似，Huang等[15]在健康志愿者中對(duì)內(nèi)毒素誘導(dǎo)的肺部炎癥進(jìn)行成像的能力進(jìn)行評(píng)估，內(nèi)毒素滴入右肺之前的和之后16h內(nèi)進(jìn)行PET動(dòng)態(tài)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(cè)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(shù)據(jù)說明18F(+/-)NOS攝取具有特異性。炎癥引起的水腫可導(dǎo)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(jìn)一步支持了該示蹤劑對(duì)肺中iNOS蛋白表達(dá)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(yīng)用可能對(duì)于研究iNOS對(duì)哮喘和COPD的嚴(yán)重程度和進(jìn)展非常有用。

同時(shí)，免疫細(xì)胞參與慢性肺部疾病的發(fā)展也是一個(gè)重要課題，Jones等[16]評(píng)估了COPD和哮喘患者的嗜中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)和巨噬細(xì)胞的存在。應(yīng)用與18F-FDG相關(guān)的PET成像來評(píng)估代謝，并用11C-PK11195作為巨噬細(xì)胞的標(biāo)志物，研究人員發(fā)現(xiàn)，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?；颊吒?，進(jìn)一步說明COPD和哮喘攝取18F-FDG的區(qū)別可能來自嗜中性粒細(xì)胞活化的狀態(tài)不同。另一組實(shí)驗(yàn)也提供了有說服力的證據(jù)，表明嗜中性粒細(xì)胞活化在COPD發(fā)病機(jī)制中至關(guān)重要[17]?？蔀榕R床上探索COPD發(fā)病機(jī)制提供新思路。PET分子成像的COPD和哮喘相關(guān)研究還處于待開發(fā)領(lǐng)域，需要進(jìn)一步探索其在慢性肺病中的應(yīng)用價(jià)值。

三、PET分子成像在特發(fā)性肺纖維化診療中的臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用

在美國和其他地方特發(fā)性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis, IPF)的發(fā)生率及病死率呈逐年增加趨勢(shì)[18]。隨著特發(fā)性肺纖維化病情進(jìn)展，肺部損傷越來越嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了人體呼吸功能，且IPF藥物治療效果不顯著、預(yù)后差，對(duì)其進(jìn)行診斷及治療監(jiān)測(cè)是目前研究重點(diǎn)。影像學(xué)指標(biāo)可以提供結(jié)構(gòu)和表型信息，以幫助指導(dǎo)個(gè)性化治療，并且可能比肺功能測(cè)試更敏感、更具體。高分辨率計(jì)算機(jī)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(rèn)的診斷標(biāo)準(zhǔn)仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。PET/CT成像顯示纖維化的肺組織18F-FDG高攝取，但結(jié)構(gòu)上看起來正常的區(qū)域也似乎具有較高的標(biāo)準(zhǔn)攝取值，因此有必要通過未來的研究進(jìn)行進(jìn)一步探索[19]。Xiong等[20,21]通過氣管內(nèi)滴注博來霉素(BLM)建立了大鼠模型，并對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組中分別進(jìn)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(duì)攝取率均高于18F-FDG的相對(duì)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(píng)估大鼠模型肺纖維化的進(jìn)展程度，有望對(duì)臨床肺纖維化的非侵入性診斷提供思路。

近年來對(duì)膠原蛋白降解標(biāo)志物、活化巨噬細(xì)胞、細(xì)胞轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子作為診斷和預(yù)后的生物學(xué)標(biāo)志物進(jìn)行了大量研究。Desogere等[22]研發(fā)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(guān),進(jìn)一步證明了該探針可量化動(dòng)物模型肺纖維化，監(jiān)測(cè)治療反應(yīng)，具有檢測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)肺纖維化患者的非侵入性成像。同時(shí)定量檢測(cè)該探針客觀地評(píng)估疾病的進(jìn)展變化，對(duì)IPF和其他纖維化肺病的抗纖維化治療有重要潛在應(yīng)用價(jià)值。

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

IPF肺組織中αvβ6的表達(dá)上調(diào)，且αvβ6水平升高與疾病進(jìn)展和不良預(yù)后有關(guān)，這表明αvβ6抑制劑可能對(duì)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(cè)量αvβ6的表達(dá)[24]。對(duì)15例參與者進(jìn)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(dá)增加，該分配系數(shù)也成功定量了αvβ6。此外，[18F]FB-A20FMDV2可在兩周的時(shí)間內(nèi)重復(fù)使用PET測(cè)量。最近一項(xiàng)獨(dú)立研究報(bào)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(jié)果[25]。以上研究表明，研發(fā)新型PET分子成像探針應(yīng)用于IPF患者臨床診療以及評(píng)估IPF患者治療效果有較好的前景。

四、展 望

近年來，隨著對(duì)肺癌、COPD、哮喘和特發(fā)性肺纖維化分子機(jī)制的深入研究，分子成像探針應(yīng)用于肺部疾病中臨床診療成為一大熱點(diǎn)。對(duì)靶點(diǎn)成像其關(guān)鍵在于PET分子成像探針研發(fā)，在研發(fā)過程中需要注意一些問題：(1)正電子放射性核素標(biāo)記大分子蛋白研發(fā)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(tuán)分子量并對(duì)探針進(jìn)行修飾調(diào)整水溶性，選用小分子類或多肽等用于探針研發(fā)。(2)分子成像探針在非靶器官中積累導(dǎo)致腫瘤/背景值低、肝膽系統(tǒng)攝取背景噪聲高、圖像質(zhì)量不佳問題，關(guān)鍵在于分子成像探針靶向性特異性，因此，高親和性的標(biāo)記前體急需被發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。(3)放射性核素探針標(biāo)記過程中半衰期過短不適合進(jìn)行多步復(fù)雜標(biāo)記，半衰期過長(zhǎng)對(duì)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(jié)合分子成像的目的，研發(fā)臨床轉(zhuǎn)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(yīng)用中會(huì)存在免疫原性反應(yīng)或相關(guān)生物學(xué)效應(yīng)對(duì)人體造成危害問題，需對(duì)藥代動(dòng)力學(xué)進(jìn)行改進(jìn)以提高生物安全性，同時(shí)重視分子成像探針的質(zhì)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(chuàng)檢測(cè)肺部疾病能力，有益于 PET分子成像在肺部疾病的臨床應(yīng)用。相信在未來的研究中，開發(fā)新型安全的放射性核素探針進(jìn)行靶向成像，有望促進(jìn)PET分子成像無創(chuàng)檢測(cè)的肺部疾病在臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用中的發(fā)展。