PET分子成像在肺部疾病诊疗中的临床转化应用

苗 爽 杨丽丽 陈维芝 徐佐宇 孙夕林

分子影像学是分子生物学和临床医学之间的交叉学科，在肺部疾病的诊疗中起重要作用。分子影像是在细胞和分子水平上，对人或者其他生命体内的生物学过程进行的成像、表征和测量。分子成像技术，具有精准、靶向等优势，可以克服传统成像技术的局限性，以实现在分子水平对疾病的精确诊断及治疗。分子成像探针是分子影像实时监测分子水平代谢及功能信息的核心和关键。尤其以具有高敏感度、高特异性、生物相容性等优点的正电子放射性核素标记类的分子成像探针最具代表性。PET/CT应用广泛，主要分3大部分，即基因成像、酶成像和受体显像，目前临床最常用的为受体显像可充分体现出PET/CT在分子成像中的作用和价值。其PET成像技术有以下几个优点：实时动态监测、敏感度高、绝对定量、临床转化潜力大等。

PET成像技术可以从分子水平获得放射性药物在相应靶点的表达信息，对疾病全面发现病灶、精确定位、判断良恶性及在分子水平上分期分型等方面具有巨大研究潜力。近年来肺部疾病发生率高，使用影像学方法可进行检测但不易进行鉴别诊断。PET/CT分子成像致力于通过研发新型靶向分子成像探针，解决肺部疾病的高度特异性诊断、分期，开辟新的诊疗途径等重大问题。因分子成像最终目的是应用于临床诊疗，本文以肺癌、慢性阻塞性肺气肿、哮喘及特发性肺纤维化为例聚焦靶向性的PET分子成像探针及其在临床应用。本综述以期为新型靶向性正电子放射性药物的设计、合成、研发和应用提供理论依据和数据支撑，为新型的分子成像探针的转化应用提供全新思路及拓宽领域应用。

一、PET分子成像在肺癌诊疗中的临床转化应用

在全球男性中与癌症相关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年统计表明，美国与癌症相关的死亡25%以上由肺癌引起[1]。随着肺癌发生率越来越高，大部分患者确诊已处于中、晚期阶段，错失医治最佳时机。非小细胞肺癌是肺癌的主要组织学亚型，其Ⅳ期非小细胞肺癌患者的预后很差，5年生存率<5%。对肺癌早期特异性诊断，适当分期分型，评估肺病治疗效果对改善肺癌患者的转归及预后十分重要。

1.早期鉴别肺部疾病良恶性:据报道美国每年新发约150000例孤立性肺结节(solitary pulmonary nodule,SPN)患者[2]。SPN因其可能是炎症、感染或肺癌的起因，引起人们极大关注。传统影像学方法由于其二维特性疾病检测能力受到限制。随着胸部CT广泛应用SPN的检出率显著提高。开发新型PET分子靶向相关的高敏感度探针，有助于鉴别诊断SPN的良性和恶性，早期诊断肺部疾病。Ebenhan等[3]报告了一种68Ga放射标记的RGD肽试剂盒，对非人灵长类动物的血液和尿液进行药代动力学和生物分布分析，展现出良好示踪剂性质。进一步研究该试剂盒临床相关性，在3例临床肺病患者中进行适用性评估，68Ga-NOTA-RGD 可在人非恶性组织中描绘出SPN，有益于临床医师制定下一步治疗方案。

2.EGFR靶向肺癌分子成像探针:非小细胞肺癌(non-small cell lung cancer, NSCLC)约占肺癌病例的80%，其肺腺癌中表达表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor, EGFR)的肿瘤占60%以上，EGFR属于酪氨酸激酶受体家族，包括细胞外配体结合域、疏水跨膜结构域以及细胞内酪氨酸激酶结构域。

西妥昔单抗是一类直接靶向EGFR胞外段结构域单克隆抗体，阻断下游信号通路转导。以往的报道中用89Zr(78.41h)或177Lu(6.65天)标记西妥昔单抗比64Cu标记的分子探针具有更长的物理半衰期，而且由于大分子蛋白低清除率和组织穿透性，24h后才能在肿瘤中观察到这些放射性标记抗体的EGFR表达，限制了这类探针在临床方面的应用[4,5]。所以，Pyo等[6]的研究中未使用单克隆抗体而是使用64Cu标记一种新型蛋白支架repebody (rEgA)，可直接靶向EGFR胞外段结构域。注射64Cu-rEgA 1h后可观察到肿瘤中EGFR高表达，该探针可作为诊断EGFR阳性肺癌的有潜力的成像工具。

在30%～50%的亚洲NSCLC患者中，最常检测到的为EGFR酪氨酸激酶结构域激活突变。Abourbeh等[7]合成11C-erlotinib评估动物模型中4种EGFR表达不同的TK域中常见的激活突变NSCLC细胞系。PET动物在体显像发现11C-erlotinib在delE746-A750突变(HCC827)肿瘤模型中摄取最高且持续时间长,可用于实时动态检测EGFR的突变状态。为了通过PET成像无创检测适用于EGFR-TKI治疗的原发性L858R突变患者，Makino团队合成了[18F] FTP2[8]。在荷瘤鼠动物PET研究中，表达L858R突变EGFR的 H3255肿瘤比表达L858R/T790M双突变EGFR的 H1975肿瘤摄取更高，[18F]FTP2在应用于临床检测EGFR-TKI治疗敏感的NSCLC患者可能有巨大潜力。

3.NSCLC患者是否EGFR突变分型中的应用:为了鉴定可能受益于EGFR酪氨酸激酶抑制剂治疗的NSCLC患者，简化靶向治疗前的患者分层与选择。2018年，Sun等[9]研发了一种新型分子成像探针18F-MPG。临床前研究对荷瘤鼠进行18F-MPG PET成像及生物分布，从定量结果中明显看到,18F-MPG摄取的高低与EGFR突变状态存在高度相关性。EGFR突变型HCC827肿瘤对18F-MPG的摄取明显高于EGFR野生型和二次突变耐药型肿瘤对18F-MPG的摄取程度。说明该探针可以筛选出EGFR突变型患者。因为在EGFR分型中，EGFR突变型患者是药物敏感型，使用相应的靶向药物治疗可能会更有效。为了验证了这一预期，其团队成功的将18F-MPG进行临床转化，应用于75例肺癌受试者中，经过筛选的药物敏感型患者症状缓解率为81.58%，未经筛选的患者症状缓解仅占46.48%。同时该探针可以用来指示患者是否出现二次突变以致产生耐药性，根据探针摄取的吸收值大幅度变动及时调整治疗方案。这种新型有效的基于分子成像的分子分型技术，对实现肺癌的先“诊”后“疗”精准临床策略有巨大应用价值。

4.肺癌治疗中的应用:肺源性神经内分泌肿瘤(neuroendocrine tumors, NET)主要包括小细胞肺癌、大细胞肺癌、典型类癌和非典型类癌。NET的症状表现形式各异，对NET进行诊断及治疗具有极大挑战性。正电子发射断层扫描PET与68Ga标记药物DOTATATE，DOTATOC和DOTANOC最近已成为NET患者成像的首选方法，使用68Ga标记放射性药物PET成像对肺部典型/非典型类癌患者检出率达到90%[10]。Backhaus等[11]的研究中使用177Lu标记药物DOTATATE，并对1例54岁的非典型(WHO Ⅱ级)脑膜瘤男性患者进行1个周期的177Lu-DOTATATE的肽受体放射性核素治疗(PRRT)，治疗后发现了先前未发现的非典型脑膜瘤肺部转移引起的胸腔摄取。该病例呈现177Lu-DOTATATE在临床上识别恶性肿瘤肺转移方面的价值。最新的研究中，Zhang等[12]报告了患有前列腺癌肺转移的1例患者，该患者接受了177Lu-PRLT前列腺特异性膜抗原放射配体疗法(PRLT)，患者对治疗耐受性良好无明显不良反应，治疗后肺转移肿瘤完全消退。在今后的研究中177Lu标记的分子探针可能在临床上检测肺癌的同时治疗肺癌，实现诊疗一体化。

二、PET分子成像在慢性肺病诊疗中的临床转化应用

慢性呼吸系统疾病包括慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)及哮喘。COPD可出现呼吸困难、反复性呼吸道感染等症状，与已知的危险因素如暴露于烟草烟雾和职业蒸汽有关[13]。诊断COPD的金标准是肺功能测试(PFT)，支气管扩张剂后1s内所占比例与强制肺活量之比(FEV1/FVC)<0.70表示持续气流受限[13]。传统的影像学检查为人们对COPD的理解做出了重大贡献，相比于胸部X线片和CT，PET扫描空间分辨率更高在分子水平诊断疾病更有价值(表1)。哮喘是另一种常见的慢性呼吸系统疾病，可导致气流阻塞和类似于COPD的症状，但不同之处在于，通过适当的治疗可治愈哮喘。哮喘有以下几种特征：间歇性呼吸困难、间歇性咳嗽和喘息。PFT可用于哮喘的诊断性检查，但是哮喘症状间歇性发生，检查结果通常是正常的。所以胸部X线片和CT扫描对哮喘的诊断作用很小，通常不会显示任何结构异常。

表1 常用肺部成像方式特征

考虑到传统的影像学方法在慢性呼吸系统疾病的诊断中起着有限的作用，因此开发新型PET分子成像探针可为新的策略。诱导型一氧化氮合酶(iNOS)是在肺上皮中组成性表达的3种一氧化氮合酶同工型之一，与哮喘和COPD的严重程度和进展相关，在许多以炎症为特征的慢性呼吸道疾病中表达均增加。18F(+/-)NOS是一种靶向iNOS的PET示踪剂，已在内毒素诱导的肺部炎症动物模型中进行了临床前评估[14]。为了证明该示踪剂在人类中的表现类似，Huang等[15]在健康志愿者中对内毒素诱导的肺部炎症进行成像的能力进行评估，内毒素滴入右肺之前的和之后16h内进行PET动态成像。使用Logan图分析将18F(+/-)NOS定量化为分布体积比(DVR)，除了无法检测到iNOS的受试者外，所有受试者的DVR均升高,18F(+/-)NOS DVR的变化取决于iNOS的存在，这些数据说明18F(+/-)NOS摄取具有特异性。炎症引起的水肿可导致放射性药物的非特异性保留，在这种情况下，尽管存在水肿，仍未保留18F(+/-)NOS，进一步支持了该示踪剂对肺中iNOS蛋白表达成像的潜在效用。因此，量化iNOS水平的成像方法以及该示踪剂在志愿者中的临床应用可能对于研究iNOS对哮喘和COPD的严重程度和进展非常有用。

同时，免疫细胞参与慢性肺部疾病的发展也是一个重要课题，Jones等[16]评估了COPD和哮喘患者的嗜中性粒细胞浸润和巨噬细胞的存在。应用与18F-FDG相关的PET成像来评估代谢，并用11C-PK11195作为巨噬细胞的标志物，研究人员发现，COPD和哮喘患者的18F-FDG摄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在组织和血浆的分布比率均比正常患者更高，进一步说明COPD和哮喘摄取18F-FDG的区别可能来自嗜中性粒细胞活化的状态不同。另一组实验也提供了有说服力的证据，表明嗜中性粒细胞活化在COPD发病机制中至关重要[17]。可为临床上探索COPD发病机制提供新思路。PET分子成像的COPD和哮喘相关研究还处于待开发领域，需要进一步探索其在慢性肺病中的应用价值。

三、PET分子成像在特发性肺纤维化诊疗中的临床转化应用

在美国和其他地方特发性肺纤维化(idiopathic pulmonary fibrosis, IPF)的发生率及病死率呈逐年增加趋势[18]。随着特发性肺纤维化病情进展，肺部损伤越来越严重，严重影响了人体呼吸功能，且IPF药物治疗效果不显著、预后差，对其进行诊断及治疗监测是目前研究重点。影像学指标可以提供结构和表型信息，以帮助指导个性化治疗，并且可能比肺功能测试更敏感、更具体。高分辨率计算机断层扫描(HRCT)扫描可以帮助诊断疾病，但为IPF制定精确的、普遍公认的诊断标准仍是一个挑战。PET/CT成像显示纤维化的肺组织18F-FDG高摄取，但结构上看起来正常的区域也似乎具有较高的标准摄取值，因此有必要通过未来的研究进行进一步探索[19]。Xiong等[20,21]通过气管内滴注博来霉素(BLM)建立了大鼠模型，并对实验组和对照组中分别进行18F-ML-8、18F-ML-10和18F-FDG的PET/CT成像。BLM处理的大鼠模型中18F-ML-8 、18F-ML-10的肺与肌肉相对摄取率均高于18F-FDG的相对摄取率，病理检查也显示BLM处理的大鼠肺羟脯氨酸含量更高。18F-ML-8与18F-ML-10可更精确地评估大鼠模型肺纤维化的进展程度，有望对临床肺纤维化的非侵入性诊断提供思路。

近年来对胶原蛋白降解标志物、活化巨噬细胞、细胞转化生长因子作为诊断和预后的生物学标志物进行了大量研究。Desogere等[22]研发了一种基于肽的PET靶向探针68Ga-CBP8,PET成像肺部68Ga-CBP8摄取与肺纤维化小鼠的胶原蛋白含量有关,进一步证明了该探针可量化动物模型肺纤维化，监测治疗反应，具有检测IPF临床患者肺组织样本纤维化程度的能力。68Ga-CBP8有望在今后临床研究中实现对肺纤维化患者的非侵入性成像。同时定量检测该探针客观地评估疾病的进展变化，对IPF和其他纤维化肺病的抗纤维化治疗有重要潜在应用价值。

叶酸受体-β(FR-β)是一种细胞表面标志物，仅在疾病状态下活化的巨噬细胞中表达。为了评估18F-AzaFol的应用前景，Schniering等[23]对博来霉素诱导的小鼠肺纤维化模型进行PET/CT成像，18F-AzaFol在肺部积累反映了疾病的进展。为了确定FR-β在巨噬细胞阳性表达，对人肺纤维化组织进行免疫组化叶酸受体-β半定量评估，特发性纤维化患者的FR-β表达增加了3～4倍，同时FR-β组织表达与放射性分子成像探针摄取具有良好的相关性，也表明18F-AzaFol PET/CT可用于检测巨噬细胞相关的纤维化肺病，并有望进行临床转化。以靶向表达FR-β的巨噬细胞的分子免疫疗法可能是IPF的有前途的治疗方法。对IPF的发展至关重要的细胞转化生长因子-β(TGF-β)的激活与整联蛋白αvβ6密切相关。

IPF肺组织中αvβ6的表达上调，且αvβ6水平升高与疾病进展和不良预后有关，这表明αvβ6抑制剂可能对IPF患者治疗有益。先前已证明在肺纤维化小鼠模型中，吸入αvβ6抑制剂GSK3008348可抑制TGF-β的激活。最新研究表明使用αvβ6特异性分子成像探针[18F]FB-A20FMDV2的PET成像可提供一种非侵入性的方法来测量αvβ6的表达[24]。对15例参与者进行研究，通过肺分配量(VT)衡量[18F]FB-A20FMDV2的肺摄取，与健康参与者比较，IPF患者αvβ6表达增加，该分配系数也成功定量了αvβ6。此外，[18F]FB-A20FMDV2可在两周的时间内重复使用PET测量。最近一项独立研究报告了另一种αvβ6特异性PET分子成像探针[18F]FP-R01-MG-F2也有相似结果[25]。以上研究表明，研发新型PET分子成像探针应用于IPF患者临床诊疗以及评估IPF患者治疗效果有较好的前景。

四、展 望

近年来，随着对肺癌、COPD、哮喘和特发性肺纤维化分子机制的深入研究，分子成像探针应用于肺部疾病中临床诊疗成为一大热点。对靶点成像其关键在于PET分子成像探针研发，在研发过程中需要注意一些问题：(1)正电子放射性核素标记大分子蛋白研发的分子成像探针清除率及组织穿透性等有待于提高，可以尽量降低靶向基团分子量并对探针进行修饰调整水溶性，选用小分子类或多肽等用于探针研发。(2)分子成像探针在非靶器官中积累导致肿瘤/背景值低、肝胆系统摄取背景噪声高、图像质量不佳问题，关键在于分子成像探针靶向性特异性，因此，高亲和性的标记前体急需被发现和应用。(3)放射性核素探针标记过程中半衰期过短不适合进行多步复杂标记，半衰期过长对正常组织损伤大不适用于临床，因此放射性核素的选择需紧密结合分子成像的目的，研发临床转化容易且安全性高新型分子成像探针。(4)分子成像探针临床应用中会存在免疫原性反应或相关生物学效应对人体造成危害问题，需对药代动力学进行改进以提高生物安全性，同时重视分子成像探针的质量控制等。

综上所述，改善放射性核素分子成像探针制备，提高分子成像探针无创检测肺部疾病能力，有益于 PET分子成像在肺部疾病的临床应用。相信在未来的研究中，开发新型安全的放射性核素探针进行靶向成像，有望促进PET分子成像无创检测的肺部疾病在临床转化应用中的发展。