磁共振靶向对比剂在肿瘤诊断中的应用进展

张 伟 综述,陈 跃 审校

(泸州医学院附属医院核医学科,四川 646000)

磁共振靶向对比剂在肿瘤诊断中的应用进展

张 伟 综述,陈 跃 审校

(泸州医学院附属医院核医学科,四川 646000)

单克隆抗体;磁共振对比剂;分子影像学;肿瘤靶向性

磁共振成像技术以其无辐射损伤、无破坏性、非侵入性,并能从分子水平到整体脏器系统地研究活体和动态过程等优点成为临床诊断的重要工具。磁共振靶向对比剂不仅能够提高病变的诊断正确率,还可以反映病变的某些生物学特征,评价治疗效果,其临床应用前景广阔,已成为分子影像学的研究热点[1]。恶性肿瘤是一类严重危害人类健康的常见病、多发病。早期特异性诊断可提高患者生存率,改善生活质量。由于传统影像诊断方法主要针对实质性肿瘤,此时患者已经处于临床中、晚期,故疗效不佳,预后较差。随着磁共振成像技术的快速发展,高磁场和梯度场提高了信噪比和分辨率,其分辨率已经达到分子水平,这就为磁共振分子成像奠定了基础。常规对比剂在磁共振成像诊断上的应用使肿瘤病灶的检出定性较之前有所提高,但仍不能解决实际工作中遇到的各种复杂问题和满足临床对肿瘤诊断和治疗的需要[2]。近年来,磁共振靶向对比剂的研究应运而生,其主要原理是应用一定的探针或载体,使对比剂在肿瘤部位特异性聚集,从而达到早发现和早诊断的目的[3]。如针对肿瘤血管生成、单克隆抗体、肿瘤细胞表面配体及受体信息等新型磁共振靶向对比剂层出不穷,本文就近年来发展的磁共振靶向对比剂在肿瘤中的应用做一综述。

1 肿瘤血管靶向对比剂

肿瘤的生长与肿瘤血管生成密切相关。大量研究表明,肿瘤血管的生成与肿瘤的浸润、转移及复发有密切的相关性[4]。钆类特异性对比剂主要产生T1正性对比效应,如二乙三胺五醋酸钆(Gd-DTPA)、四氮杂环十二烷四乙酸钆(Gd-DOTA)。Gd3+有严重毒性,与DTPA或DOTA赘合后稳定性高,在活体内不分解,毒性大大降低。Gd-DTPA及Gd-DOTA通过改变周围氢核的磁性起作用,且具有亲水性、相对分子质量小的特点,注入血管后迅速向周围组织间隙分布,由肾脏排泄,对各系统的病变如肿瘤、感染,以及血管病变等都具有诊断与鉴别诊断的价值,是目前应用最广泛的磁共振靶向对比剂。但是,绝大多数钆类小分子对比剂都是离子型造影剂,体内渗透压较高,在体内存留时间较短,易经肾脏代谢后迅速出,不具有组织或器官的选择性,常常迅速渗透到细胞外液间隙而产生背景影像强化[5]。近年来,国内外许多中心又在Gd-DTPA及 Gd-DOTA的基础上衍生出各种大分子螯合物,用于靶向肿瘤血管显像实验研究。这些大分子包括蛋白质、聚合物、自合成肽、亲水亲脂性纳米纤维、呋仑碳等[6-7],如把小分子Gd-DTPA与血清中的清蛋白结合(MS-325)就可以提高其在体内的弛豫率。用氧矾螯合物(VCs)与清蛋白结合作为一种新型对比剂能够增加其在血中的半衰期,使对比剂能够成功到达肿瘤部位,从而提高诊断能力[8]。其他与血管生成相关的特异性成像靶分子包括整合素α vβ3、血管内皮生长因子(VEGF)、纤维结合蛋白、内皮抑素受体、P选择素、E选择素等。有学者采用整合素α vβ3、血管内皮生长因子受体1(VEGFR-1)、血管内皮生长因子受体(VEGFR-2)等3种受体的特异性多肽配体,成功地构建了以肿瘤新生血管为靶向的纳米脂质体,并包封顺磁性药物作为肿瘤特异性磁共振靶向对比剂。与非靶向纳米脂质体相比,整合素α vβ3、VEGFR-1配体靶向脂质体在磁共振成像T1加权像上肿瘤信号强度明显增强,可达对照的1.8～2.8倍,并清晰显示直径为2～5 mm微小肿瘤病灶。有学者将含有Gd3+的微粒与新生血管特征性标志物整合素α vβ3的抗体DM101连接,构成Gd3+-DM101分子探针,注射到产生了新生血管网的兔体内,与注射游离Gd3+微粒对比组比较,在90 min后新生血管网获得超出约25%的强化效应。有学者将顺磁性对比剂标记在整合素α vβ3的单克隆抗体LM609上,对兔肿瘤进行磁共振成像。通过靶向肿瘤新生血管,肿瘤明显强化并显示了肿瘤详细的解剖图像,并可探查到以前不能显示的血管生成的“热点”部位。有学者应用一种新合成的PGC(protected graft copolymer)作为血管探针,在实验小鼠模型上行磁共振成像研究,结果表明PGC用于监测血管生成治疗的效果亦令人满意。有学者在移植了VxⅡ肿瘤后12 d的新西兰白兔身上使用一种由能靶向α vβ 3的分子成像纳米微粒构成的对比剂进行动态T1WI磁共振成像。结果在肿瘤区域和肿瘤周围的部分血管壁获得了显著的磁共振强化信号。有学者把Gd-DTPA与E选择素的配体连接,注入正常和患急性肝炎的动物体内,两者相比,后者获得显著而持久的增强效应。

这些大分子对比剂由于体内分解代谢比较慢,在血管中能够相对长时间保持稳定的浓度,利于肿瘤组织的摄取,能够提供最佳的药代动力学和满意的肿瘤对比显像[9]。但是这些对比剂因为复杂的药代动力学原因目前在血管显像上还存在一定制约。因为药物在体内的分布多数是不均匀的,且处于动态平衡之中,许多因素如内源性的离子、酶和其他生物元素都会在体内同时分解Gd3+类螯合剂达到不可预期的效应。另外,这些大分子对比剂的面积往往比肾脏滤过阈值大得多,很难从身体内排出,组织长时间聚集这些高浓度的钆类对比剂不可避免的产生诸如肾系统纤维化(NSF)等不良反应[10]。

2 单克隆抗体对比剂

肿瘤的单克隆抗体(McAb)标记的新型磁共振对比剂,可对肿瘤进行定位、定性诊断。单克隆抗体磁共振靶向对比剂是将单克隆抗体与磁共振靶向顺磁性或超顺磁性粒子结合,从而形成新的整合剂。它既具靶向功能,又具常规磁共振靶向对比剂的作用,其不仅能与某些器官、组织及病变特异性地结合,且能改变其磁共振靶向信号强度,从而达到靶向诊断的目的。但是,由于磁共振的低敏感性,要实现磁共振靶向分子成像研究,必须选择适当的具有高亲和力的分子探针,这是活体内分子成像的先决条件之一。从已有的研究来看,靶向诊断存在一个问题就是要载带足够量的对比剂到感兴趣区从而产生足够诊断的信号。有学者利用抗癌胚抗原(CEA)抗体共轭连接Gd3+离子制成靶向对比剂对结肠腺癌的动物模型进行了研究,结果由于聚集在肿瘤的靶向对比剂抗CEA抗体-Gd-DTPA浓度太低而不能够产生增强效果。后来研究者对单克隆抗体对比剂进行了改进。有学者将Gd-DTPA标记单克隆抗体HAb18进行了荷人肝癌裸鼠磁共振靶向成像,研究发现Gd-DTPA单克隆抗体组在注射磁共振靶向对比剂后肿瘤表现为缓慢的强化过程,早期强化不明显甚至肉眼难以分辨,但随着时间的延长,肿瘤的信号强度不断增高,在注射对比剂后24 h,肿瘤的强化达高峰,强化率约为25%。Baio等[11]采用两步法对特异性生物素连接的抗体与超顺磁性氧化铁(USPIO)-抗生物素纳米粒作为对比剂在1.5 T的磁场下进行了体内肿瘤靶向性成像研究。Baio等[11]把表达CD70表面抗原的D430B人淋巴瘤细胞通过皮下或静脉注射到诱导转移的非肥胖糖尿病/严重联合免疫缺陷(NOD/SCID)小鼠体内,然后静脉注射30 mg生物素耦联单克隆抗CD70,4 h后注射8 mg/kg的 USPIO-抗生物素纳米粒,24 h后行T2或b-FFE回波序列显像,并比较注射USPIO抗生物素前、后的信号强度。结果显示皮下移植瘤在经过抗CD70和 USPIO抗生物素治疗后,T2序列信号减少了30%,在b-FFE回波序列上信号减少了60%。有学者在一个乳腺癌HER-2/neu体内显像模型上采用该原理把生物素化的单克隆抗体与亲和素耦联。相对于小分子的螯合物,这些生物素-亲和素螯合物具有很高的受体表达水平,每个单克隆抗体上钆离子结合的单个亲和素分子和几个亲和素连接的生物素扩增作用明显,且都可以在磁共振图像上探测到HER-2/neu表达阳性的肿瘤细胞。

顺磁物质标记的单克隆抗体磁共振靶向对比剂尽管受到推崇,但是目前用于临床的均是鼠源性单克隆抗体,它应用于人体会产生人抗鼠抗体反应,加上肿瘤间质内压力升高,耦联的大分子通透性差会使得单克隆型对比剂的靶向效果不如所期望的那么高。单克隆抗体对比剂还存在抗体用量大、增强效果差等缺点。但生产及标记单克隆技术很复杂,包裹的放射标记物也易溶解,血液循环中的肿瘤特异抗原也要拮抗标记物;另外,即使最小的脂质体对药物或对比剂来说也是巨大的,因而限制了其应用。

3 肿瘤细胞受体显像

肿瘤分子生物学研究表明,在肿瘤细胞表面或肿瘤相关血管表面存在一系列受体并在肿瘤组织中过度表达,它与相应配体或配体类似物能特异结合。由于受体和其配体的结合具有特异性、选择性、饱和性、亲和力强和生物效应明显等特点,这为肿瘤的靶向诊断提供了新的靶向途径。磁共振受体显像不仅可以提高磁共振靶向对比剂的靶向分布性,还可利用强化程度反映受体的功能及数量变化,进而为更早期发现病变提供新的途径。叶酸、生物素、多糖等配体都可以靶向到多种肿瘤细胞的受体上,这些受体不仅可以观察到肿瘤体积的变化,还可以用来监测治疗效果[12]。以顺磁性氧化铁颗粒(SPIO)纳米粒为基础的磁共振对比剂是近年来肿瘤细胞表面受体的靶向成像研究的一大热点[13]。SPIO在体内能被枯否氏细胞吞噬,对肝脏、脾脏、淋巴结等含枯否细胞较多的组织具有定向和特异性显像效果。它能明显降低T2、T1像的信号值,增强扫描后能使正常肝脏信号等于或约等于周围空气背景信号值,而肝癌及脾脏等网状内皮系统内肿瘤因缺乏枯否细胞,不吞噬SPIO,增强后信号值无变化,从而能明显提高肿瘤与正常肝脏组织的对比度。例如利用人清蛋白对纳米四氧化三铁微粒进行表面修饰而制得的对比剂,具有良好的稳定性和生物相容性,并无明显不良反应;SPIO增强扫描能明显提高微小肝细胞癌的检出率,有利于肝癌的早期诊断。由于多糖类化合物作为糖蛋白的配基,可以与很多细胞表面糖蛋白受体选择性结合。有学者将D-半乳糖引入DTPA和DOTA,设计出具有肝靶向性的对比剂。去唾液酸糖蛋白(ASG)受体介导的磁共振靶向对比剂是一类以SPIO为基础的新型靶肝细胞磁共振靶向对比剂,如采用阿拉伯半乳糖包被的AG-USPIO、去唾液酸胎球蛋白包被的ASF-MION等。它们能和肝细胞肝窦面细胞膜上的去唾液酸糖蛋白受体(ASGP-R)特异性结合,通过受体介导的内吞作用快速、大量地进入肝细胞。由于该对比剂的核心成分为SPIO,入肝细胞后,在肝细胞的微粒体内分解出氧化铁颗粒,产生很强的短 T2效应,而受体则被分选送回胞质膜重新应用。近年来对转铁蛋白研究也较多,转铁蛋白受体主要分布于肝细胞、十二指肠黏膜细胞、表皮基底细胞、睾丸细精管、胰岛细胞、胎盘绒毛膜和体滋养层以及骨髓早期红细胞等,其主要功能是实现铁自细胞外向细胞内的转运。研究发现大部分肿瘤细胞TfR的表达水平明显增高,表现为细胞膜TfR的增多和血液中TfR的浓度增加。所以,活体内TfR成像对疾病分子水平的诊断和治疗效果的评价具有重大意义。目前应用的TfR探针主要有转铁蛋白-单晶体氧化铁颗粒tlSI(Tf-MION)和抗TfR抗体-单晶体氧化铁颗粒两种,这两种探针对TfR在体外细胞和动物活体上的MR成像均已获得成功。例如把转铁蛋白(Tf)同MION螯合用于胶质瘤肿瘤细胞过量表达的表皮生长因子受体(engineered transferring receptor,ET R)显像。把ET R和肿瘤细胞在1 h内包埋到8×106的转铁蛋白靶向对比剂上,24 h后静脉注射3 mg的Tf-MION到裸鼠体内,就可以看到MION装载的对比剂到肿瘤细胞产生强烈的T2阴性对照显像。近年来,对叶酸靶向受体的研究已成为分子影像学的一大热点[14-15]。叶酸具有较小的相对分子质量,也没有单克隆抗体的免疫源性缺陷,可多次给药。叶酸标记的肿瘤细胞诊断显像剂,能够获得肿瘤与正常组织高对比度的图像。叶酸受体(folate receptor,FR)在卵巢癌、肺癌、乳腺癌、结直肠癌和肾细胞癌等多种肿瘤细胞膜表面活性和数量显著高于一般正常细胞,以叶酸受体介导的靶向对比剂就是以该理论为基础。如Choi等[13]用超顺磁性氧化铁纳米粒与叶酸制成靶向对比剂叶酸-FITC-10,用于荷人鼻咽癌裸鼠的成像研究。Yuan等[16]合成的叶酸与钆类连接的对比剂 PL-Gd-DTPA注射后瘤体信号呈持续性升高,至24 h明显升高,其峰值约出现在增强后48 h,最大强化率为126%,在肝脏中,强化效果亦明显,峰值出现在增强后6 h。尽管受体与配体的结合力较强,但由于生物种属差异,荷瘤小鼠试验所获得的数据距离临床评价还有一些困难,基于某种亚型标记的显像剂,才有可能选择性地靶向肿瘤细胞,从而获得更加满意的效果。

4 磁共振靶向功能显像对比剂

磁共振靶向靶向功能显像对比剂可以用来观察活组织的生理学信息[17]。靶向功能对比剂就是根据病变的某些分子生物学特征而设计的,能够反映病变某些生物学特征,从而提高病变的诊断效率[18]。由于磁共振靶向对信号探测敏感性较低的缺点,一般只能检测到组织中微摩尔级的顺磁性物质含量。要实现对癌基因凋亡等磁共振靶向可视化检测,必须针对肿瘤形成过程中的关键分子标记顺磁性载体,其中常用的顺磁性载体物质为SPIO。C2erbB2癌基因是neu基因在人类的同源基因,其扩增和表达仅限于恶性肿瘤组织,与肿瘤组织的病理分级、淋巴结转移和临床分期密切相关,常作为临床化疗方案选择和预后判断的主要指标,可为靶向诊断提供良好的位点。文明等[19]制备超顺磁性氧化铁(SPIO)标记的反义寡脱氧核苷酸(ASODN)探针,并将其转染入SK2Br3细胞进行磁共振靶向显像。结果表明转染 ASODN探针后的 SK2Br3细胞胞浆内可见多少不等的蓝色铁颗粒,细胞内铁含量明显高于未转染ASODN探针的其他各组细胞;磁共振成像扫描显示其信号强度最弱,信噪比值明显低于未转染细胞。

凋亡是维持细胞生命的基本特征之一,细胞凋亡在机体生长、发育及变异等方面起重要调节作用,与肿瘤等疾病的发生也密切相关。细胞凋亡过程中发生的生化变化以及相关基因/蛋白质同样可以用分子影像学的技术手段检测。肿瘤细胞在凋亡早些时候胞膜成分就发生改变,原来位于细胞膜内侧的磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine,PS)迁移至脂双层外侧[20]。由于膜联蛋白或者突触结合蛋白-Ⅰ(synaptotagminⅠ)这些与凋亡细胞血浆外膜表面的磷脂酰丝氨酸残基具有高度亲和力。研究者利用突触结合蛋白-Ⅰ(synaptotagminⅠ)的第1个C2结构域能与凋亡细胞胞膜结合的特性,将C2结构域与SPIO结合,制备成磁共振靶向探针。体外实验显示,C2-SPIO能与凋亡细胞特异性结合。由于SPIO可以缩短T2值,结合有C2-SPIO的凋亡细胞在T2序列上呈明显低信号。在EL4淋巴瘤模型上,应用环磷酰胺、依托泊苷化疗药物诱导肿瘤细胞凋亡同样可以被探测到。研究者应用膜联蛋白与交叉连接氧化铁(CLIO)毫微粒螯合而成的纳米颗粒,作为磁共振靶向对比剂,每个CLIO通过二硫键大概与2.7个膜联蛋白质相连。在一项仿真磁共振实验中,未处理的细胞和经过喜树碱治疗的细胞加入或不加入CLIO进行孵化,结果显示经过喜树碱治疗的细胞加入很微量的CLIO磁共振信号就可以显著减少。膜联蛋白与CLIO螯合能够作为一个MRI探针用于检测细胞凋亡。

5 小 结

尽管磁共振成像能够提供极好的形态学分辨率、软组织对比度和功能信息。但是它相对较低的敏感性问题仍然要求磁共振对比剂必须结合足够的信号扩增物质才能探测到相对稀疏的分子靶向受体。磁共振分子影像对比剂应用于实体肿瘤探测还存在一定局限性[21]。理想的分子影像对比剂其相对分子质量应该小于150 kD,而且其在血浆中的持续循环时间应该足够长以确保对比剂能够有效到达靶向肿瘤区域[22]。近年来基因重组技术从基因水平上对抗原分子进行切割、修饰所产生的重组抗体(如双功能抗体、小分子抗体)具有免疫源性弱、亲和力高、稳定性好和穿透力强的优点,并且克服了单克隆抗体在肿瘤组织中清除速度慢、显像时间长的缺点,有力地减少了药物的不良反应,在肿瘤的显像诊断方面具有广阔的应用前景[23]。相信随着这些高效对比剂的问世,肿瘤等疾病的早期发现、精确定位、准确定性定量、疗效监测定会取得重大进展。

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10.3969/j.issn.1671-8348.2011.06.041

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1671-8348(2011)06-0609-03

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·论 著·