人源性NIS基因位于19号染色体，是编码643个氨基酸、含13个跨膜结构的膜蛋白，它通过Na⁺/K⁺-ATP酶的继发性主动转运来运碘。甲状腺细胞中NIS和Na⁺/K⁺-ATP酶都是定位于面向血供的基侧膜。而碘流出至滤泡腔全部是由定位于滤泡细胞顶膜的膜转运蛋白介导的。目前已知有2个蛋白，即Pendrin ^[3]和人顶膜碘转运体（human apical iodide transporter, hAIT) ^[4]起到介导碘流出的作用。碘被转运到细胞与滤泡的交界处，就会被甲状腺过氧化物酶（thyroperoxidase, TPO）有机化，在甲状腺球蛋白的协助下合成甲状腺激素，储存于滤泡腔内。由跨膜的Na⁺梯度提供能量，NIS协同转运2个Na⁺和1个I^-，而Na⁺梯度由Na⁺/K⁺-ATP酶产生。因此，NIS介导的碘转运可由Na⁺/K⁺-ATP酶抑制剂毒毛花苷G及竞争抑制剂高氯酸盐来抑制。

NIS基因的成功克隆促进了对甲状腺癌及其转移灶碘摄取降低的分子机制研究。Lazar等^[5]研究表明，导致癌组织对放射性核素摄取降低的原因是NIS的低表达或不表达，而且肿瘤分期越高，NIS的表达水平就越低。但通过免疫组化或反转录-聚合酶链反应等方法证明，70%~80%的甲状腺肿瘤内有NIS表达，其表达水平与正常甲状腺组织的表达量相当，甚至超出正常水平，但表达的NIS蛋白多数位于细胞腔内，而没有定位到细胞基底膜上^[6]。这一结果提示，甲状腺癌细胞的恶性转变阻碍了NIS蛋白的细胞膜正确定位，导致有些甲状腺癌组织样本中NIS表达增高，但碘摄取却很低。因此，对细胞内NIS表达增高的患者提高NIS蛋白在细胞膜的靶向定位，是提高¹³¹I治疗甲状腺癌疗效的主要措施之一。功能性的NIS表达比单纯的NIS表达更重要。

NIS在其他肿瘤细胞的膜定位与甲状腺细胞有所区别。De La Vieja等^[7]发现，将NIS基因导入原本没有NIS表达的多种非甲状腺肿瘤细胞时，NIS蛋白总是能正确定位到细胞膜，而且有功能；而在甲状腺细胞，当无促甲状腺激素（thyroid stim-ulating hormone, TSH）存在时，NIS在甲状腺细胞膜和细胞质内都有分布；当TSH存在时，NIS则定位到甲状腺细胞膜。结果提示，可能在甲状腺细胞存在TSH依赖性的诱导表达，但是其机制尚不清楚。Yokomori等^[8]的报道提示，甲状腺癌中常发生TSH受体高甲基化，导致TSH受体基因沉默，从而干扰膜定位。关于膜定位的问题一直存在争论，近来Peyrottes等^[9]报道，用三种抗体分别进行的免疫组化研究表明，在甲状腺癌细胞和乳腺癌细胞中NIS并不是过表达，所谓的细胞内高表达是一些非特异性的染色所致。因此，增强NIS摄碘能力的重点还是应该放在增高NIS基因表达量方面，不存在细胞膜定位差的问题。其具体机制有待于进一步研究。

尽管多数潜在机制并不清楚，但Venkataraman等^[10]研究显示，甲状腺癌进展过程中，NIS基因表达的减低与基因不可逆性突变失活没有关系，而与基因调节异常或表观遗传机制有关。甲状腺癌中NIS基因的转录下调可能是由于关键调节区域DNA序列的甲基化引起，NIS转录的恢复与第一个外显子内非翻译区NIS DNA的去甲基化有关。可使用去甲基化制剂来恢复NIS基因转录，例如，一些甲状腺癌细胞系中，在5-氮胞苷或丁酸钠作用下，通过诱导第一个外显子非翻译区NIS DNA的去甲基化，可使NIS mRNA表达甚至碘转运恢复。但由于丁酸钠存在毒性，其使用范围及剂量受到限制。

由于组蛋白乙酰化可导致核小体结构改变，从而使DNA更容易接近转录因子。有研究显示，组蛋白脱乙酰酶抑制剂depsipeptide能提高低分化和未分化癌细胞系的NIS表达水平及摄碘能力。如果该结果经体内实验进一步证实，则depsipeptide有可能成为增强¹³¹I治疗失分化型甲状腺癌疗效的辅助剂^[11]。此外，Zarnegar等^[12]研究表明，组蛋白脱乙酰酶抑制剂曲古抑菌素A能明显提高甲状腺癌细胞系（TPC-1、XTC-1、FTC-133细胞）的NIS mRNA的表达，降低氯碘同向转运体Pendrin的mRNA表达，增加¹³¹I在肿瘤的滞留，可能对失分化型甲状腺癌的¹³¹I治疗更有效。

维甲酸作为一种诱导分化剂，能够抑制正常甲状腺组织的NIS mRNA表达水平及碘摄取而上调滤泡性甲状腺癌细胞的NIS mRNA表达水平。Simon等^[13]对50例分化型甲状腺癌患者临床研究表明，13-顺-维甲酸（1.5 mg·kg^-1·d^-1）治疗5周以上，有13例患者表现为¹³¹I摄取明显增加，8例患者轻度增加，有效率为38%，且不良反应小。Haugen等^[14]研究表明，甲状腺癌细胞系和甲状腺癌组织中存在不同的维甲酸受体亚型的表达，维甲酸受体表达的甲状腺癌细胞系用维甲酸治疗可见明显的细胞生长抑制；反之，未表达的则无抑制。该方法可能能够预测维甲酸治疗的反应，Kogai等^[15]报道，维甲酸治疗可刺激雌激素受体阳性的乳腺癌细胞NIS mRNA转录及蛋白表达水平增高，NIS基因转录可提高4倍，摄碘率最高达9.4倍。该反应可能由维甲酸受体介导。

Kim等^[16]的体内外实验研究发现，多柔比星（doxorubicin）可提高失分化型甲状腺癌细胞中巨细胞病毒启动子启动的转基因表达，这种表达的增高是由巨细胞病毒启动子中核因子κB的激活引起的，多柔比星可作为NIS基因介导的碘治疗中的辅助措施来提高碘摄取。在此研究基础上进一步扩大肿瘤种类，可为肿瘤基因治疗提供有益参考。此外，Condreay等^[17]研究发现，曲古抑菌素A也可显著提高基因转导效率。

若要提高甲状腺肿瘤治疗效果，除增加碘摄取外，尚需使放射性碘在肿瘤细胞内滞留足够长的时间。学者们试图在甲状腺细胞的顶膜去寻找调节碘流出的转运蛋白如碘转运体Pendrin和hAIT，并进行碘流出的调控。Mian等^[18]用免疫组化方法发现，Pendrin定位于甲状腺细胞的顶膜，可以用来转运碘、氯、甲酸盐和硝酸盐等。Durante等^[19]发现一个含有610个氨基酸的甲状腺细胞顶膜蛋白hAIT，但是有关其是否介导碘从细胞内流到胶质腔内及其详细分子和动力学机制仍有待研究。

Furuya等^[20]用腺病毒介导，将甲状腺转录因子1基因导入到低分化甲状腺癌细胞中，试图使TPO和甲状腺球蛋白得到再表达。尽管腺病毒介导甲状腺转录因子1基因感染稳定表达NIS的细胞并没有诱导NIS mRNA水平的增高，但却增加了碘的有机化，延长了碘在体内的滞留时间，为进行有效的放射性碘治疗奠定了基础。Huang等^[21]将NIS及TPO基因共转染非小细胞肺癌细胞，发现能够减少碘的流出。而Boland等^[22]将编码大鼠NIS和人类TPO两种基因的腺病毒载体共转染人宫颈癌细胞，却发现碘的滞留没有增加。因此，TPO基因介导的碘有机化是否能增加碘的滞留尚有待于进一步研究。

Elisei等^[23]用NIS基因转染体外培养的甲状腺未分化癌和髓样癌细胞系，分析影响碘外流的因素，发现17-丙烯胺基-17-去甲氧基格尔德霉素、4, 4-二异硫氰基苯-2, 2-二磺酸能减缓碘外流，使碘在甲状腺未分化癌中滞留时间延长。Yoon等^[24]发现，在乳腺癌细胞和NIS基因转染的肿瘤细胞中，茶碱能通过上调NIS基因表达而增加放射性碘摄取，因此可以进行相关的显像和治疗研究，但并不会增加碘的滞留时间。Lee等^[25]研究发现，体外培养的大鼠甲状腺细胞FRTL-5及小鼠体内的甲状腺组织在茶碱诱导下均有轻度的碘摄取增加。由于茶碱在临床应用已有60余年的历史，既可在实验动物中使用，也可在人体中使用，从安全性考虑，其具有很好的临床应用前景。

普遍观点认为，增加碘滞留需要通过提高碘的有机化来达到，但是Dingli等^[26]在肿瘤体内实验中证实，原本缺乏有机化的表达NIS的肿瘤细胞碘滞留是由于肿瘤细胞再摄取碘导致的。核素在表达NIS的细胞内滞留是一个缓慢流出与再摄取相结合的动态过程，核素滞留时间与表达的NIS量及碘摄取量呈线性相关，如果有足够的NIS表达，碘的流出将为零，此时碘的有机化并不重要。不像甲状腺细胞，非甲状腺肿瘤细胞膜的各个方位都可表达NIS，使NIS的表达量增加。在体内，肿瘤细胞是成团分布的，这样的几何结构决定了从一个细胞流出来的碘可被周围多个细胞快速再摄取，这可以部分解释碘在体内NIS表达肿瘤中的滞留时间较体外培养的细胞中为长的原因。Nakamoto等^[27]的研究也表明，表达NIS的肿瘤细胞碘流出的速度要低于甲状腺细胞系。NIS基因的高表达不仅对于碘的最大化摄取，而且对于碘的充分滞留以达到理想的治疗效果是非常重要的。事实上，当NIS高水平表达时，碘从细胞内的流出可以降到零。

甲状腺细胞内的NIS表达受TSH、碘、细胞因子和肿瘤生长因子、甲状腺球蛋白、雌激素等多因素的调节，临床上甲状腺癌患者甲状腺全切后，停止甲状腺激素替代治疗以促进自身TSH的合成或直接给予TSH，均可增强NIS的表达。Smit等^[28]也通过实验研究发现，在接种甲状腺肿瘤的裸鼠，通过低碘饮食和甲状腺切除能够延长肿瘤内碘的滞留时间，按照此法给予74 MBq的¹³¹I治疗后可抑制肿瘤生长。

从体内外环境变化来讲，NIS介导的碘摄取实验中，碘在体内摄取低，但是流出慢，在体外实验中则相反，体内碘摄取高，但流出快。这与细胞所处的微环境有关。体外表达NIS的细胞碘摄取是未表达NIS细胞的近百倍，但是体内只有数倍。究其原因，可能是由于体内表达NIS的组织如甲状腺、胃黏膜、唾液腺等的竞争性摄取，以及由于体内肾脏等排出导致的血中碘浓度降低，从而降低了碘摄取。但同样由于这些脏器部位的外分泌腺体内有NIS的表达，Josefsson等^[29]认为其表达的NIS在碘的储备上起着重要的作用；可通过NIS将碘离子从血液中主动转运，随后分泌的碘离子可被小肠吸收入血，再被甲状腺吸收。这种碘的再循环机制对延长碘作用时间，提高碘利用率起到了很好的作用。

近年来，关于NIS基因介导的发射高能α或β射线的治疗性核素的研究也在进行中。研究显示，NIS不仅能够特异性介导放射性碘离子进入甲状腺滤泡上皮细胞，亦可介导⁹⁹Tc^m、¹⁸⁸Re、²¹¹At等化学性能与Tc相似的放射性核素的转运。因此，另一种增加治疗效果的方法是使用更高能量的核素，如¹⁸⁸Re或者²¹¹At等。尽管这些放射性核素都显示为快速流出，但组织细胞对¹⁸⁸Re或者²¹¹At的吸收剂量会更高，例如²¹¹At作为一种发射高能α粒子的核素，线性能量转移高（97 keV/μm），组织射程短（60 μm），也可被NIS转运，它对肿瘤所产生的辐射剂量明显高于¹³¹I，有望成为NIS介导的更有效的肿瘤治疗核素；¹⁸⁸Re是一种发射高能（平均能量为0.764 MeV）β粒子的核素，而¹³¹I平均能量为0.134 MeV，在表达NIS的乳腺癌动物模型进行¹⁸⁸Re和¹³¹I治疗效果比较发现，¹⁸⁸Re给予肿瘤的辐射剂量是¹³¹I的4.5倍，提示¹⁸⁸Re的使用有望提高NIS基因介导的肿瘤治疗疗效。

综上所述，NIS基因的成功克隆为恶性肿瘤的核素靶向放射治疗提供了一个基础，在非甲状腺肿瘤的显像及治疗中也有了广泛的研究。随着有效和安全的基因转染系统的进一步发展及NIS相关机制研究的进一步深入，NIS基因治疗有望获得理想的治疗效果，为恶性肿瘤的核素放射治疗提供了广阔前景。