18F-FDG PET/CT和新型分子成像在指導腫瘤免疫治療中的作用

王棟梁，許曉平，宋少莉

1. 復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院核醫(yī)學科，復旦大學上海醫(yī)學院腫瘤學系，上海 200032；

2. 復旦大學生物醫(yī)學影像研究中心，上海 200032；

3. 上海分子影像探針工程技術研究中心，上海 200032；

4. 復旦大學核物理與離子束應用教育部重點實驗室，上海 200433

免疫治療已成為晚期腫瘤治療的選擇之一，可以通過重定向、刺激或重編程患者自身的免疫系統(tǒng)來殺傷癌細胞［1］。免疫檢查點抑制劑（immune checkpoint inhibitor，ICI），如程序性死亡受體1（programmed death 1，PD-1）、程序性死亡受體配體1（programmed death ligand 1，PD-L1）和細胞毒性T淋巴細胞相關抗原4（cytotoxic T lymphocyte-associated antigen-4，CTLA-4）的阻斷抗體，為癌癥患者帶來了新的希望［2］。然而，只有部分患者可以從ICI治療中受益，有些患者甚至可能發(fā)生嚴重的免疫相關不良事件（immune-related adverse event，irAE）［3］。新的臨床前和臨床證據［4］表明，ICI與腫瘤微環(huán)境（tumor micro-environment，TME）之間的互惠性可能對ICI治療產生復雜且重要的影響，但具體機制尚不清楚。如何無創(chuàng)有效地表征TME，并精確指導ICI的使用，是目前全球范圍內的研究熱點。分子成像可以通過傳遞動態(tài)免疫微環(huán)境的實時信息來提供非侵入性解決方案。18F-FDG是最常用的正電子發(fā)射體層成像（positron emission tomography，PET）/計算機體層成像（computed tomography，CT）顯像劑，越來越多地應用于免疫治療管理［5］，它可以通過單次掃描跟蹤葡萄糖攝取來反映原發(fā)性腫瘤組織和轉移性病變中的葡萄糖蓄積水平，從中獲得的代謝參數是腫瘤負荷的有用指征。免疫檢查點、免疫細胞及效應分子是參與TME免疫響應的重要因素，本述評還討論了針對TME成分的新型分子成像在監(jiān)測免疫響應中的應用。

1 癌癥免疫治療的當前臨床應用和影像學需求

ICI已成為臨床上最具突破性的治療方法之一［6］。目前，伊匹單抗（ipilimumab，抗CTLA-4）、納武單抗（nivolumab）和派姆單抗（pembrolizumab，抗PD-1）相繼被歐洲藥品管理局（European Medicines Agency，EMA）和美國食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration，FDA）批準用于臨床［6-7］。然而，ICI治療最大的挑戰(zhàn)之一是篩選潛在獲益人群，需要大量生物標志物為指導個體治療提供信息。雖然活檢能顯示腫瘤間、腫瘤內和時間異質性，但是采樣質量取決于方法、解剖結構和操作人員的技術水平，并且多次和連續(xù)活檢面臨實際困難［8］，因此需要更好的監(jiān)測手段。FDG PET/CT評估腫瘤能量代謝活性可為制訂ICI治療計劃提供支持。直接針對PD-L1、PD-1、CTLA-4等免疫檢查點，免疫細胞和免疫效應分子的新興放射性藥物，為理解ICI治療過程中腫瘤內部TME動態(tài)變化提供了可能。展望未來，分子成像也可以為藥物開發(fā)和臨床試驗設計提供信息，篩選患者和指導治療。

2 18F-FDG PET/CT在免疫治療中的應用

瓦爾堡效應是腫瘤標志之一，腫瘤細胞糖代謝重編程，以高葡萄糖攝取、糖酵解為特征［9］。18F-FDG PET/CT的工作原理以瓦爾堡效應為基礎，其中葡萄糖類似物18F-FDG，通過葡萄糖轉運蛋白進入癌細胞，被磷酸化，但不通過糖酵解代謝，這導致腫瘤細胞內積累18F-FDG，18F核素產生一對方向相反的伽馬光子，由PET掃描儀檢測定位，最終形成腫瘤影像［10］。研究［11］報道，糖酵解在免疫細胞功能中起著重要作用，葡萄糖轉運蛋白在活化的T細胞中上調，從而促進細胞生長及分化。上述機制為18F-FDG PET/CT對免疫治療后反應監(jiān)測、毒性評估和預后預測提供可能。

2.1 18F-FDG PET/CT在免疫治療反應中的作用

在循證醫(yī)學時代，使用醫(yī)療指南和標準至關重要，其為醫(yī)療專業(yè)人員提供明確的建議，從而提高患者護理的質量和一致性。近年來，多種解剖學和代謝標準已被制定用于記錄癌癥患者對全身或靶向治療的反應［12］。然而，由于ICI獨特的作用機制，ICI治療可能導致新的反應模式出現，例如假進展、超進展、分離反應和延遲反應［13］，因此需要制定新的標準。

2.1.1 假進展

假進展指免疫治療后腫瘤的體積增大或有代謝活動的病變總數增加，隨后在影像學評估中出現腫瘤進展［14］。Park等［15］的研究中包括3 402例接受ICI治療的患者，并納入17項研究進行meta分析，結果顯示假進展發(fā)生率為6%。一些免疫相關的PET標準在定義腫瘤進展時強調新病變的數量或5個目標病變的瘦體重標準攝取值峰值（peak standard uptake value of lean body weight，SULpeak）之和至少為30%［16］。實體瘤免疫治療 PET評價標準（immune PET response criteria in solid tumor，iPERCIST）是考慮到假進展而制定的，未經證實的進展性代謝疾病需要在4～8周再一次行18F-FDG PET/CT確認［17］。應當注意的是，所有描述的納入研究的患者只接受ICI治療，因此，該標準可能不適用于與化療或靶向藥物治療的聯合治療。

2.1.2 超進展

超進展是指在接受抗PD-1或抗PD-L1治療的患者中，腫瘤負荷迅速增加，臨床結局更差［14］。18F-FDG PET/CT在監(jiān)測超進展方面起重要作用。在一項針對黑色素瘤患者的研究［18］中，超進展患者的基線腫瘤代謝體積（metabolic tumor volume，MTV）的增大差異有統(tǒng)計學意義，7個月與60個月的中位總生存期較差。超進展仍然是一個有爭議的問題，但對于影像學進展的患者，早期識別能及時改變治療策略，使患者獲得更優(yōu)治療。

2.1.3 分離反應和延遲反應

分離反應是指某些腫瘤部位的消退與其他預先存在或新部位的伴隨進展的混合。一項對50例接受抗PD-1治療的非小細胞肺癌（non-small cell lung carcinoma，NSCLC）患者的研究［19］顯示，采用18F-FDG PET/CT監(jiān)測的患者中，10%的患者有混合反應，所有患者均在6個月后繼續(xù)抗PD-1治療并保持臨床獲益。延遲反應指對免疫治療的長期反應，即使在ICI治療被中斷或停止后也是如此，這被認為是腫瘤特異性免疫反應，并且可能發(fā)生在多達15%的患者中［20］。這種反應模式常見于因免疫相關不良事件（immune-related adverse event，irAE）而停止ICI治療的患者，因為抗腫瘤反應通常得以保留。

實體瘤臨床療效評價標準（response evaluation criteria in solid tumor，RECIST）1.1版是在細胞毒性化療和放療時代定義的，因此不是為免疫治療而設計的［21］。2017年，實體瘤免疫療效評價標準（immune response evaluation criteria in solid tumor，iRECIST）被提出，該標準針對ICI治療過程中出現非常規(guī)反應模式的評價方式較為科學，同時明確了非靶病灶、新病灶的價值。然而iRECIST更側重對假進展、延遲反應的評價，可能忽略超進展現象［22］。因此后續(xù)又修訂提出了改良的實體瘤免疫療效評價標準（immune-modified response evaluation criteria in solid tumor，imRECIST），與既往標準不同的是，該標準更多地使用影像學手段判斷觀察指標、臨床療效的改變［23］。然而基于上述傳統(tǒng)影像學技術的RECIST存在評價盲區(qū)，無法及時判斷超進展患者，具有一定的局限性。眾所周知，絕大多數腫瘤處于高代謝的狀態(tài)，僅用常規(guī)形態(tài)影像學作為評價依據較片面，2009年基于PET/CT的實體瘤PET療效評價標準（PET response criteria in solid tumor，PERCIST）被提出，該標準首次引入標準攝取值（standard uptake value，SUV）和病灶區(qū)域SUV峰值（SUVpeak）的概念［24］。針對免疫治療的非常規(guī)反應，Berz等［24］提出了免疫治療PET評價標準（PET response evaluation criteria for immunotherapy，PERCIMT）。此后，隨著iRECIST的出現，iPERCIST被提出，該標準以PERCIST標準為基礎，將代謝相關進展定義為不確定代謝進展［25］。目前，對于大多數實體瘤，如黑色素瘤、肺癌等推薦應用iPERCIST評估免疫療效。值得注意的是，這些標準均未在大型隊列中得到驗證，需要通過前瞻性臨床試驗進一步證實。

2.2 18F-FDG PET/CT 預測免疫治療預后

葡萄糖代謝在T細胞活化和功能中起關鍵作用，與葡萄糖轉運蛋白1和PD-L1表達密切相關［26］。因此，FDG PET/CT具有超越單純評估腫瘤代謝的潛在作用，也有助于定義TME。一項針對55例早期NSCLC患者的研究［27］表明，FDG攝?。⊿UVmax和SUVmean）與細胞毒性CD8+腫瘤浸潤T淋巴細胞，以及無病生存率有強相關性。對27例接受ICI的晚期NSCLC患者的分析［28］顯示，SUVmax（≤17.1）和SUVmean（≤8.3）與早期（8周）間期反應評估的進展相關，但特異度較低（分別為38.9%和33.3%）。與此相反，有研究［29］顯示，在ICI治療的背景下，基線SUVmax與預后之間沒有獨立的相關性。對惡性黑色素瘤FDG PET/CT代謝參數的meta分析［30］也發(fā)現，SUVmax及SULmax與患者預后無相關性。目前，更新穎和更全面的FDG PET指標，如MTV及總病變糖酵解（total lesion glycolysis，TLG）已被用來預測ICI治療后的結局［30］。一項meta分析［30］匯總了MTV和TLG的風險比，顯示FDG PET在預測黑色素瘤免疫治療的反應中具有顯著的預后價值。雖然結果令人振奮，但仍存在缺乏標準化的測量方法、分割自動化及如何定義高低腫瘤負荷等問題。

3 新型分子成像在免疫治療中的指導作用

新型放射性藥物可提供一種非侵入性方法來確定有關免疫微環(huán)境的實時信息?；诎邢蚍肿拥姆派湫运幬?，可以提供有關其靶標在體內表達以及藥物遞送和分布的信息。縱向成像可以描述TME的變化，并有助于更好地預測腫瘤對免疫治療的反應。標記免疫細胞或細胞外成分能揭示ICI治療后TME的變化，進而篩選潛在的獲益人群。

3.1 免疫檢查點成像

PD-L1是一種有效的預測和預后生物標志物［31］。在NSCLC中，PD-L1的表達有助于指導治療，表達低于1%的腫瘤不太可能對抗PD-1或抗PD-L1藥物產生反應，表達1%～49%的腫瘤在抗PD-1或抗PD-L1藥物聯合細胞毒化療時更有可能產生反應，而表達超過50%的腫瘤對于單純的抗PD-1或抗PD-L1治療就可能會產生反應［32］。然而，目前的PD-L1免疫組織化學檢測并不完善，高達10%的“無表達者”對治療有反應，但臨床上難以實施多次和連續(xù)的活組織檢查來精準診斷［8］。無創(chuàng)分子成像可能提供一種解決方案，目前已經有幾種靶向PD-1或PD-L1放射性藥物用于臨床試驗，所用的PD-1成像劑包括89Zr-pembrolizumab、64Cupembrolizumab及89Zr-nivolumab。研究［33］表明，89Zr-nivolumab在PD-1陽性晚期NSCLC患者中表現出顯著的腫瘤攝取率。PD-L1放射性藥物（89Zr-atezolizumab和68Ga-BMS-986192）的腫瘤攝取在評估ICI的臨床反應方面優(yōu)于基于免疫組織化學或RNA測序的預測生物標志物［34-35］。除PD-1和PD-L1外，針對CTLA-4、吲哚胺2,3-雙加氧酶1（Indoleamine 2,3-dioxygenase 1，IDO1）、淋巴細胞活化基因3（lymphocyte activation gene-3，LAG-3）等其他免疫檢查點的放射性藥物正在進行臨床試驗［36-37］。

3.2 免疫細胞和TME成像

免疫細胞的浸潤和活化是腫瘤免疫反應的重要環(huán)節(jié)，介導ICI反應。因此，了解腫瘤部位免疫細胞的浸潤，能更好地評估免疫治療反應。在一項涉及32例實體瘤患者的研究［39］中，CD8+特異性放射性藥物89ZED88082A的攝取與CD8+T細胞浸潤相關，強免疫應答者具有較高的SUV值。過繼性細胞療法［如嵌合抗原受體（chimeric antigen receptor，CAR）-T細胞和CAR自然殺傷（natural killer，NK）細胞］的核心概念是在淋巴細胞中插入CAR，從而在體內識別腫瘤［40］。CAR-T細胞療法是一種新的免疫治療方法，其臨床療效已被證明，特別是針對難治性CD19+B細胞惡性腫瘤，但尚未應用于實體腫瘤［41］。由于CAR-T細胞具有顯著的毒性，無創(chuàng)成像可揭示CAR-T細胞生物學和體內生物分布，從而監(jiān)測非靶組織的損傷［42］。另外，在前列腺癌小鼠模型中，使用99mTc 單光子發(fā)射計算機體層成像（single-photon emission computed tomography，SPECT）/CT對CAR-T細胞進行時空跟蹤，證明了非免疫原性報告基因（如人鈉碘同向轉運體）的實用性［43］。NK細胞殺傷不表達主要組織相容性復合體Ⅰ類（major histocompatibility complexⅠ，MHC Ⅰ）分子的細胞，從而破壞逃避T細胞效應的腫瘤細胞。CAR-T細胞治療可能會產生細胞因子釋放綜合征等嚴重不良反應，危及患者生命。研究［44］表明，CAR-NK細胞可能會克服CAR-T細胞的缺陷，在腫瘤免疫治療中展現出廣闊的前景?；诖?，已有針對NK細胞表面神經細胞黏附分子（neural cell adhesion molecule，NCAM）進行成像的99mTc標記抗體［45］，然而，NCAM在腫瘤細胞、T細胞、樹突狀細胞中也表達，并無特異性，降低了示蹤劑的特異性，報告基因修飾后成像或許是一個好的解決方法。此外，其他免疫細胞也相繼被成像，如成功地用89Zr-oxine標記樹突狀細胞，且不影響細胞活力或功能［46］。腫瘤相關巨噬細胞是組織內的免疫細胞，促進腫瘤逃逸，在免疫治療耐藥中發(fā)揮關鍵作用，是免疫療法的重要靶點［47］。在人乳腺癌細胞系小鼠移植瘤模型中，111In標記的抗f4/80能夠通過小動物SPECT/CT在腫瘤中定位巨噬細胞［48］。

雖然免疫細胞具有給藥前可用成像探針標記、報告基因修飾等優(yōu)點，但由于TME的免疫抑制作用，免疫細胞的活性受到了抑制，針對免疫細胞浸潤的顯像在監(jiān)測細胞活性、治療反應方面仍存在挑戰(zhàn)。因此，與量化浸潤的免疫細胞相比，量化效應分子的表達可能為精準監(jiān)測免疫響應提供獨特的途徑。

白細胞介素（interleukin，IL）-2是活化CD8+T細胞所產生的細胞因子，在一項黑色素瘤研究［49］中，18F-fluorobenzoyl標記的IL-2為區(qū)分腫瘤進展和假進展提供了一種新的監(jiān)測方法。此外，針對IL-2的SPECT探針123I-IL-2出于相同的目的已被研發(fā)出來，用于T細胞活化的可視化。顆粒酶B是一種由細胞毒性T淋巴細胞和NK細胞分泌的絲氨酸蛋白酶，誘導腫瘤細胞凋亡，由于這是免疫細胞介導細胞死亡的主要機制，因此監(jiān)測顆粒酶B的分泌能對免疫治療響應提供良好的指示。Larimer等［50］開發(fā)設計了一個靶向顆粒酶B的探針68Ga-NOTA-GZP，體外實驗結果顯示，與其他顆粒酶家族相比，示蹤劑對顆粒酶B有較高的特異性，并能反映免疫響應。此外，另一項研究［51］表明，68Ga-GZP的攝取可預測抗PD-1和抗CTLA-4聯合治療的反應。γ干擾素（interferon-γ，IFN-γ）是CD4+T細胞、CD8+T細胞和NK細胞分泌的細胞因子，通過不同途徑對腫瘤細胞進行識別破壞［52］。Gibson等［53］開發(fā)了一種抗89Zr-anti-IFN-γ PET探針，監(jiān)測免疫治療后IFN-γ水平升高，作為免疫激活的標志物。由此看來，靶向效應分子的示蹤劑在精準評估免疫響應方面有著巨大的優(yōu)勢，可以為臨床醫(yī)師提供有關免疫治療反應更全面的信息。

4 總結與展望

免疫療法已經改變了許多癌癥的治療格局，然而抗腫瘤免疫反應的復雜性及TME中腫瘤、免疫和細胞外基質成分之間的相互作用對原發(fā)性和獲得性耐藥都提出了挑戰(zhàn)。目前的預測性生物標志物，包括用免疫組織化學方法測量的PD-L1，尚不完善。18F-FDG PET/CT分子成像可通過揭示腫瘤和TME糖代謝狀況來補充標準形態(tài)成像。盡管缺乏腫瘤特異性，但18F-FDG PET/CT在反應評估中仍具有潛在作用，也有證據［30］表明，18F-FDG PET/CT具有在免疫治療前和治療中通過半定量測量（MTV、TLG）預測反應的作用，但這些證據尚待進一步研究和驗證。新型放射性示蹤劑的出現為評估腫瘤和免疫TME提供了一個機會，以更好地預測哪些患者對治療有反應，特別是在免疫治療耐藥的情況下，有助于指導個性化的治療。盡管存在一定的局限性，分子成像很可能只會補充而不是取代現有的生物標志物，但其無疑將為放射組學和人工智能融合發(fā)展帶來新的機遇。