肿瘤乏氧显像剂18F-FM ISO的临床研究进展

王 姝，李亚明

（中国医科大学附属第一医院核医学科，辽宁 沈阳 110001）

肿瘤乏氧是由于肿瘤微环境造成的，其中低氧诱导因子-1（Hypoxia inducible factor 1，HIF-1）具有重要作用，HIF-1α和HIF-1β复合物间接的介导了肿瘤细胞的增殖、迁移、侵袭、血管生成，并在肿瘤组织糖代谢中有重要作用[1]。乏氧不仅使肿瘤自身更具侵袭性，而且能引起肿瘤细胞的放化疗抵抗性，与肿瘤的进展有重要关联[2-4]。因此临床治疗开展前，有必要检测肿瘤组织的乏氧情况。放射性核素乏氧显像是一种体外无创的检查方法，乏氧显像剂大致可分为两大类：硝基咪唑类和非硝基咪唑类，其中硝基咪唑类乏氧显像剂 1-H-1-（3-[18F]氟-2-羟基丙基）-2-硝基咪唑（18F-fluoromisonidazole，18F-FMISO）能够较好的反映肿瘤组织内的乏氧情况，已广泛应用于临床研究[5]。

1 概述

乏氧是恶性肿瘤的一个重要特性，其发生依赖于肿瘤血管生成及肿瘤细胞迅速的生长，其内的新生血管与正常的脉管不同，血管供氧能力差，血流缓慢，使得运输至肿瘤细胞的氧气和营养物质不充分，引起肿瘤组织氧供应和氧消耗的不平衡。氧分压降低刺激肿瘤细胞复杂的细胞信号网络，包括HIF、PI3K、MAPK、NFKB通路,由此引发了肿瘤内部的乏氧现象[1，3]，同时伴随着血管痉挛和组织间液压力持续增高。生长因子（Hepatocyte growth factor，HGF）、血管内皮生长因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF）、糖酵解和信号分子等开始表达从而降低了肿瘤细胞凋亡。同时乏氧状态下，肿瘤组织内的氧自由基减少，氧自由基介导放射治疗中电离辐射对肿瘤细胞的DNA损伤相应减少。上述过程导致肿瘤细胞的放化疗抵抗性[6-7]。

2 摄取机制及影响因素

2.1 摄取机制

在实体肿瘤中，由于肿瘤内外乏氧情况是不断变化的，难以确定其乏氧区域和程度，所以临床上很难评估肿瘤的乏氧情况。乏氧显像剂18F-FMISO可以在乏氧组织中特异性浓聚，具有“肿瘤乏氧靶向性”，其摄取机制是：用发射正电子的核素18F标记FMISO形成示踪剂，经静脉进入人体后，通过毛细血管壁被动转运进入组织，在黄嘌呤氧化酶的作用下，其硝基基团被还原形成一种自由基阴离子，当氧分压正常时，该离子很快被再氧合，并被运送至细胞外；但在氧分压低于正常时，该种离子不能被再氧合，反而进一步还原，并结合细胞内大分子物质，从而积聚于乏氧细胞内，可进行乏氧显像[8-9]。

2.2 摄取影响因素

2.2.1 氧分压对18F-FMISO摄取的影响

肿瘤内的氧分压可采用电极测量，乏氧组织平均氧分压≤10mmHg，正常组织平均氧分压为24～66mmHg[10]。多项研究表明肿瘤内氧分压水平对18F-FMISO在乏氧肿瘤中的摄取有明显的影响。Lawrentschuk等[11]对17例疑似肾细胞癌拟行肾切除术患者行18F-FMISO显像和电极氧分压测定，发现肿瘤内的平均氧分压＞9.5mmHg，同时18F-FMISO只有轻度摄取，说明18F-FMISO可选择性聚集在乏氧区域。Zimny等[12]对24例头颈部恶性肿瘤患者行18F-FMISO显像和电极氧分压测定，发现低氧水平肿瘤的18F-FMISO摄取明显高于含氧量正常肿瘤的摄取，且氧分压＜5mmHg与18F-FMISO摄取肿瘤/肌肉比值有很强的相关性。Bejot等[13]在对18F-FMISO显像的一项体外研究中发现正常氧分压条件下18F-FMISO的摄取率很低为（0.5±0.1）%，而在乏氧环境下18F-FMISO的摄取率达（11.0±0.4）%。

2.2.2 VEGFR对18F-FMISO摄取的影响

VEGFR可诱导血管内皮细胞的生长，血管的增生与肿瘤侵袭、恶性程度和临床预后密切相关。Rajendran等[14]对19例软组织肉瘤患者行18F-FMISO显像及VEGFR表达水平测定，发现18F-FMISO摄取与VEGFR表达有重要联系，治疗前76%肿瘤显著乏氧，乏氧体积与VEGFR表达水平的相关度达0.39。Kawai等[15]对32例神经胶质瘤初诊患者和16例胶质瘤复发患者进行18F-FMISO显像及VEGFR水平测定，发现初诊患者18F-FMISO的摄取与VEGFR水平有明显相关性，提出18F-FMISO可以作为初诊神经胶质瘤患者抗血管治疗的生物学标志物。Cher等[16]对17例原发脑胶质瘤患者行18F-FMISO显像、18F-FDG显像和MRI，并测定VEGF-R1和Ki67的表达水平，发现VEGF-R1表达增高会引起18FFMISO的摄取增高，两者具有显著的相关性，而其他免疫化学标志物与18F-FMISO的摄取只有一定的相关趋势。Bokacheva等[17]给予大肠癌移植瘤大鼠小分子VEGFR抑制剂进行短期治疗，发现治疗组的18F-FMISO SUVmean降低了33%，可见VEGFR水平与18F-FMISO的摄取密切相关。

2.2.3 肿瘤血管破坏药物5，6-二甲基 -4-乙酸基二苯吡酮（5，6-Dimethylxanthenone-4-Acetic acid， DMXAA）对18F-FMISO摄取的影响

DMXAA可以选择性诱导肿瘤血管内皮细胞凋亡，血管内皮的损害导致血管壁完整性受损，最终导致肿瘤血流供应减少，从而达到治疗效果。Ching等[18]采用小鼠结肠移植瘤模型，验证了DMXAA是通过对血管内皮的损伤达到对肿瘤血管的抑制作用，实验表明应用DMXAA后3 h，血管内皮细胞出现凋亡，同时肿瘤细胞大量坏死。Oehler等[19]对12例结肠移植瘤小鼠进行DMXAA治疗，分别在治疗前3 h和治疗后24 h行18F-FMISO显像，结果显示由于肿瘤局部灌注量减少，DMXAA治疗可导致18F-FMISO SUVmean降低，影响了18F-FMISO乏氧显像效果。

2.2.4 别嘌呤醇（黄嘌呤氧化酶抑制剂）对18F-FMISO摄取的影响

别嘌呤醇是一种抗痛风药物，其对黄嘌呤氧化酶有抑制作用从而减少尿酸的生成。而黄嘌呤氧化酶在18F-FMISO乏氧显像中起到重要作用，Bejot等[14]在对18F-FMISO的一项体外研究中利用分光光度法评价黄嘌呤氧化酶对18F-FMISO产生的酶催化还原反应，结果表明这种酶催化还原反应只在厌氧条件下发生。Prekeges等[20]研究得出，18F-FMISO在乏氧组织中的摄取取决于黄嘌呤氧化酶对硝基的还原情况，而黄嘌呤氧化酶抑制剂别嘌呤醇则会抑制这种硝基还原反应，从而对18F-FMISO的摄取产生影响，同时这种影响与别嘌呤醇的浓度有一定的相关性。也有研究认为别嘌呤醇对乏氧组织中18F-FMISO的摄取影响不大。Joseph等[21]对猴的肾脏细胞分别给予不同剂量的别嘌呤醇，在重度乏氧的条件下，测量去甲基化MISO与黄嘌呤氧化酶的结合率，得出不同别嘌呤醇剂量下的结合率没有统计学差异。说明别嘌呤醇对于18FFMISO在乏氧条件下的结合率无显著影响。综上，别嘌呤醇对18F-FMISO摄取的影响还有待于进一步研究。

3 18F-FM ISO的主要临床研究

3.1 良恶性组织的鉴别诊断

18F-FMISO显像可以用来鉴别肿瘤的良性恶性组织。Norikane等[22]为评价肿瘤的乏氧情况，分别对24例头颈部肿瘤患者行18F-FMISO显像和18F-FDG显像，测量局部的肿瘤血流比值，将比值≥1.2的区域定义为乏氧区域，并通过免疫组化的方法测量HIF-1α和p53的表达水平，结果显示肿瘤组织存在着广泛的乏氧区域，可见18F-FMISO显像能够鉴别组织的良恶性，同时18F-FMISO显像的最大摄取值与HIF-1α和p53的表达有一定的相关性。Sato等[23]为探究18F-FMISO显像与HIF-1α表达的联系，分别对23例口腔鳞状细胞癌患者行18F-FMISO显像和18F-FDG显像，测量两种显像的最大摄取值和HIF-1α表达情况，HIF-1α水平对肿瘤的预后有较好的提示作用，结果显示18F-FMISO显像的最大摄取值与HIF-1α表达水平有较高的相关性，18F-FDG显像的最大摄取值与HIF-1α表达水平没有明确的相关性，进而证明18F-FMISO显像不仅可以提示肿瘤的糖代谢情况还可以提示肿瘤内的乏氧情况。

3.2 指导肿瘤调强放疗及疗效评估

肿瘤治疗前后的乏氧组织的总体积和乏氧比例是不断变化的，如何准确发现乏氧区域并判断其比例大小，是临床工作中的一个难题。多项研究结果表明18F-FMISO显像能够提示肿瘤的乏氧情况，有助于肿瘤调强放疗及疗效评估。Okamoto等[24]对11例头颈部肿瘤患者分别行2次18F-FMISO显像，间隔48 h，为评价18F-FMISO显像对肿瘤乏氧的重复性，采用最大摄取值、肿瘤血流比和肿瘤肌肉比等定量指标进行分析，得出18F-FMISO的摄取值与肿瘤乏氧情况有高度的可重复性，对于精准放疗计划的制定有重要意义。因此利用18F-FMISO显像指导勾画放射治疗的靶区,提高18FFMISO显像高摄取区域的放疗剂量,可提高治疗效果,同时保护正常组织。Lin等[25]对7例头颈部肿瘤患者分别在治疗前及治疗中进行了18F-FMISO显像，得出结论18F-FMISO显像可以探测到肿瘤乏氧的空间分布变化，在调强放射治疗（Intensity-modulated radiotheray，IMRT）方面有广阔的应用空间。Alber等[26]对舌癌患者进行18F-FMISO显像，利用数学公式和计算机软件制定放疗计划，使放疗高剂量区与18F-FMISO摄取增高区域分布一致，将生物摄取图像转化为放疗剂量效率分布，可见乏氧显像对于IMRT的重大意义。Grkovski等[27]对10位非小细胞肺癌患者行18F-FDG及18F-FMISO显像，研究结果提示18F-FMISO显像在非小细胞肺癌中有较高的再现性，可在乏氧肿瘤的治疗及疗效评价上起到重要作用。Cheng等[28]对20例乳腺癌患者在治疗前后分别行18F-FDG及18FFMISO显像，结果提示18F-FMISO的摄取与临床预后有明显的正相关，可用于评价内分泌治疗疗效。Kikuchi等[29]对17例头颈部肿瘤患者治疗后行18F-FMISO显像，采用最大摄取值和肿瘤/肌肉比作为乏氧指标，分为高摄取组和低摄取组，两组间的肿瘤局部控制率和疾病特异性生存率均有统计学差异性，可见18F-FMISO显像可以用来评价头颈部肿瘤的治疗效果。