-
自1971年Folkman[1]首次提出肿瘤血管生成的假说以来，大量研究表明肿瘤血管生成与肿瘤的生长、恶变、转移以及患者的预后有密切的关系[2]。能够成功地在体监测肿瘤血管生成及抗血管治疗的成像方法成为目前研究的热点。传统的成像手段能对肿瘤血管的一些参数，如血流速度、微血管密度以及肿瘤的新陈代谢等进行直接或间接的评估，但由于缺乏特异性，难以定量研究。近年来，分子影像学技术在肿瘤血管生成的可视化及定量研究中取得了一定的进展。本文就各种分子影像学技术在肿瘤血管生成研究中的现状做一综述。
-
肿瘤细胞诱导的微血管生成及血液循环建立的过程称为肿瘤的血管生成。
-
肿瘤在生长过程中先向周围的血管侵袭性生长，给肿瘤的外周部分提供血氧，而肿瘤中心由于缺氧，激活了血管生成因子的基因表达。血管生成因子弥散入周围静脉和毛细血管中，与内皮细胞上的受体结合，促使内皮细胞基因的表达和细胞的增生。血管内皮细胞表达的黏着分子如ανβ3整合素能促使内皮细胞的移行和血管存活。
-
肿瘤血管生成受多种因子的调控，按功能的不同可以分为两类：①血管生成刺激因子，如血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）；②血管生成抑制因子，如血管抑素。肿瘤血管生成是由于肿瘤发生和发展过程中的病理失衡，导致血管生成刺激因子增多和（或）血管生成抑制因子减少，从而激活内皮细胞，促使血管生成表型的形成，引起肿瘤血管的过度生长，最终导致肿瘤的生长、浸润和转移。这些血管生成刺激因子和抑制因子可以作为成像的媒介，从而为肿瘤血管生成的分子影像学技术的发展提供了条件。
-
过去的观点认为，微血管密度（microvessel density, MVD）计数是评价肿瘤血管生成的“金标准”，但由于肿瘤血管的分布从形态和功能上来说都是高度不均质的，从而决定了MVD计数的正确性依赖于组织取材的部位，加之MVD计数是有创、离体的检测方法，因此其在临床上的应用具有局限性。分子影像学利用生物兼容的特异性，使高亲和力的分子探针与疾病发生和发展过程中产生的特异性靶分子结合，并利用生物或化学的方法设计和修饰探针分子，使其具有放射性、磁性或光学活性，从而能被成像工具灵敏地探测并成像，为肿瘤血管生成引入了新的思维方式和研究手段。目前，有关肿瘤血管生成的分子影像学研究主要集中于核医学、CT、MRI、超声和光化学等领域。
-
核医学利用放射性核素标记特异性的分子探针，这类探针与相应的靶分子结合，对肿瘤血管生成的原因、过程和结果等多方面进行研究和评价。
-
基因显像是在DNA、mRNA或蛋白水平上对基因及其表达产物进行功能显像的一种技术，可以从以下4个方面反映血管生成：①导致血管生成的分子水平的变化，如血管生成刺激因子的增多。张国鹏等[3]以金属结合肽（双甘氨酰半胱氨酸）为报告基因，99Tcm-葡庚糖酸钠为报告探针，成功地监测了治疗基因VEGF165的表达。②在恶性肿瘤中引起VEGF或其他血管生成因子组成性表达的致癌因子。③血管生成抑制通路的丧失或抑制。④血管生成凋亡通路的丧失或抑制。Survivin是一种肿瘤特异性的凋亡抑制因子，具有抗凋亡、调节细胞增殖和促进血管生成的作用[4]。赵新明等[5]成功地完成了99Tcm-survivin mRNA反义肽核酸的制备及荷瘤裸鼠基因显像的研究，结果显示：标记物能在肿瘤组织内特异性浓聚，且随着时间的延长，浓聚程度逐渐增加。
基因显像和传统的显像技术相比具有高度的特异性，能够直接或间接地从基因水平上进行观察，从疾病发生的根源为临床提供信息。但目前用于基因显像研究的高特异性、高亲和力的探针还较少，图像的分辨率也不理想，致使大多数的研究仍然处于临床前的动物实验阶段。
-
VEGF和VEGFR在正常组织和良性肿瘤中低表达或不表达，但在多种恶性肿瘤中高表达，与肿瘤血管生成和转移密切相关[6]，这奠定了针对VEGF和VEGFR的肿瘤诊断与靶向抗肿瘤血管生成治疗研究的理论基础。目前，VEGFR已成为具有潜在应用价值的靶分子。
用于VEGFR的SPECT显像剂研究较多的有123I-VEGF165和123I-VEGF121，它们可以与肿瘤细胞特异性结合。但有文献报道该类显像剂在体内不稳定，易脱碘，从而造成在甲状腺及胃中的较高浓聚[7]。并且123I-VEGF121的浓聚随肿瘤体积的增大而减少。VEGF也可用99Tcm来进行标记。Blankenberg等[8]利用联肼尼克酰胺介导99Tcm成功标记了VEGF，并测得其在体内可稳定存在1h，肿瘤组织对其摄取较高，通过对肿瘤化疗前后的显像显示可用于疗效的判断。VEGF125-136为VEGF165外显子6所编码的短肽，可竞争性地拮抗VEGF的促血管生成作用。黄定德等[9]以巯基乙酰三甘氨酸作为螯合剂介导99Tcm标记VEGF125-136，测得该标记物早期主要分布于肾脏、肝脏及血液等组织，在其他组织中的含量较低，且其在血液中清除快，主要通过肾脏排泄，在甲状腺及胃中的含量一直处于低水平，说明该标记物在体内比较稳定，没有明显的脱锝现象。
除了对VEGF本身进行标记外，还可将VEGF的融合蛋白作为VEGFR显像剂。人转铁蛋白-VEGF165是VEGF165与人转铁蛋白的融合蛋白，单链VEGF也是一种融合蛋白，用99Tcm标记时不需要引入螯合剂，标记后可显著浓聚于肿瘤病灶[10]。
-
研究表明，整合素ανβ3在多种肿瘤细胞表面和新生血管内皮细胞中高表达，而在成熟血管内皮细胞和绝大多数正常组织中低表达或不表达，并且其表达水平与肿瘤的恶性程度及转移浸润特性有关[11]。ανβ3可识别并结合包含精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（arginine-glycine-aspartate，RGD）多肽的序列，因此，体外合成RGD多肽可用于对整合素进行示踪或针对整合素表达的靶向治疗。不同结构的RGD多肽序列的受体结合力不同，因此，对RGD多肽进行不同的修饰以提高其受体结合力为当前研究的热点。Liu等[12]对RGD多肽进行多聚化修饰的研究表明，多聚化的RGD环肽具有比单体更高的亲和力。余子璘等[13]用99Tcm标记RGD环肽二聚体及四聚体，结果表明RGD环肽四聚体与整合素ανβ3结合的亲和力约为二聚体的2倍，且肿瘤摄取较高。但RGD多聚体的制备过程复杂，在肿瘤组织及非靶组织内存留时间长，导致显像时的本底过高。
-
在恶性肿瘤的生长过程中，组织增生过快必然会造成局部组织乏氧。乏氧引起缺氧诱导因子（hypoxia inducing factor-1α，HIF-1α）转录并与VEGF基因结合，引起VEGF释放，直接刺激内皮细胞的增殖和肿瘤新生血管的生成，因此，肿瘤的乏氧程度与其血管生成的程度密切相关。乏氧显像剂的选择是目前乏氧显像研究的热点，理想的乏氧组织显像剂应具有高渗透性和低氧化还原电位。99Tcm-4, 9-二氮-3，3，10，10-四甲基十二烷-2，11-二酮肟（99Tcm-4，9-diaza-3，3，10，10-tetramethyldodecan-2，11-dionedioxime，99Tcm-HL91）是目前研究较多的SPECT显像剂。李玲等[14]利用99Tcm-HL91作为乏氧组织显像剂，测得非小细胞肺癌组织中99Tcm-HL91的摄取程度与HIF-1α的表达有关，HIF-1α的表达水平与VEGF的表达呈正相关。99Tcm-HL91对肿瘤乏氧组织具有良好的亲和力，其合成较简单，血中清除快，但在肝、肠、胃中的摄取高，限制了其在腹部的应用。18F-氟米索硝唑（18F-fluoromisonidazole，18F-MISO）能选择性地滞留在肿瘤乏氧组织和细胞中，其滞留程度取决于细胞内的氧浓度，是较早用于临床的PET显像剂。然而18F-MISO的脂溶性高，存在一定的神经毒性，且从正常组织内清除较慢，靶区/本底比值较低[15]。18F-氟赤硝基咪唑（18F-fluoroerythronitroimidazole，18F-FETMIN）是近年来研究较多的乏氧显像剂之一，其更具亲水性，且无明显神经毒性，肿瘤组织对18F-FETMIN的摄取与18F-MISO无明显差异，但正常组织对18F-FETMIN的摄取明显低于18F-MISO，18F-FETMIN在非靶组织中清除迅速，并通过肾排泄，很有应用前景[16]。
-
CT能定量反映肿瘤的微血管特征和与肿瘤血管生成相关的功能性变化。目前研究较多的是功能CT，其基本原理是将对比剂作为生理性示踪剂，有效地反映局部血流灌注量的改变，获得组织功能方面信息的变化，利用不同的数字模型计算出组织的血流量、血容量等影像学参数。研究显示：CT影像参数与大部分肿瘤的生理参数有相关性，能反映肿瘤新生血管的状况[17]。目前，功能CT对比剂多为小分子水溶性对比剂，但由于其很快地从血管内溢到血管外，导致对肿瘤血管生成的定量不准确。新的CT对比剂的研究将成为未来研究的热点。
-
MRI较CT更能反映血管的结构、生理及功能的改变，目前，MRI评价肿瘤血管生成的方法按是否使用对比剂可分为两种：一种是不使用对比剂增强，可通过血氧水平依赖性的对比、对高血氧含量及高血碳酸含量的不同反应来显示血管功能的变化及血管的成熟程度；另一种是使用对比剂增强，常用的对比剂有：小分子对比剂、大分子对比剂和靶向对比剂。靶向对比剂能从现存的血管中区分出新生血管，且只浓聚在有肿瘤血管生成的位置，能更为直观地、精确地反映肿瘤的微血管状况及评价抗血管生成的治疗效果，目前靶向对比剂正处于临床前期研发阶段。常用的靶向对比剂有ανβ3和VEGF的单克隆抗体。Sipkins等[18]将LM609（一种ανβ3的单克隆抗体）结合到顺磁性聚脂体上进行MRI，证实LM609有较好的特异性标记肿瘤新生血管的作用。Gossmann等[19]利用抗VEGF的单克隆抗体在裸鼠恶性胶质瘤动物模型上行MRI动态增强，结果发现肿瘤血管的通透性及肿瘤的生长均受到抑制，成功地评价了抗肿瘤血管生成药物的疗效。
MRI的最大优点在于其高分辨率和对机体组织器官的高对比度，但MRI的灵敏度较低，常规的成像方法难以达到探测分子或细胞生物过程所需的灵敏度，因此必须采用高选择性的对比剂，而且MRI的序列和设备可以对信号的强度产生本质的影响，从而很难与其他设备得到的数据进行比较。
-
超声检查用于评价肿瘤血流状态的方法包括彩色多普勒血流成像和超声造影。彩色多普勒血流成像可探测到肿瘤内部的血流信号，测量血管的变化，对肿瘤血管生成的程度评价有一定帮助。超声造影是将微气泡造影剂引入肿瘤组织，Palmowski等[20]将微气泡与VEGFR2和整合素ανβ3结合并量化，用于人鳞癌裸鼠模型的研究，在分子水平上显示出了肿瘤新生血管的轮廓。光学成像也可用于评估肿瘤血管的生成状况。Peng等[21]将LLP2A（拟肽配体，一种小分子多肽模拟物）制备成活体光学成像探针，无创性地监测了活体内活化的α4β1整合素。
超声检查无辐射、方便、价廉，但由于自身特征及发射频率的限制，其检测肿瘤血管生成程度的研究多集中于较表浅的部位，且图像空间分辨率低于MRI和CT。光学成像具有灵敏度高、成本低、技术简单的优势，局限性是由于光的穿透性较差和体内的屏蔽效应，使其很难应用于体内深部的成像。
-
目前，评价肿瘤血管生成的影像学方法种类繁多，各种方法均具有独特的优势和应用范围，但尚处于起步阶段，已有的研究多集中于动物实验，其结果能否应用于临床仍需进一步验证。希望在不远的将来能发现更多、更好的肿瘤血管标记分子，既能用于肿瘤的靶向治疗，又可用于肿瘤的早期诊断、复发监测、临床用药指导和疗效评价。
肿瘤血管生成的分子影像学研究进展
Advances of molecular imaging in tumor angiogenesis
-
摘要: 肿瘤血管生成与肿瘤的生长、恶变、转移以及患者的预后有着密切的关系，因此，肿瘤的抗血管生成治疗引起了人们的极大兴趣。分子影像学应用高亲和力的分子探针与靶分子特异性结合的原理，可在活体细胞和分子水平上特征性地显示及测量生物机体的生化过程。近年来，分子影像学技术在肿瘤血管生成的可视化及定量研究中取得了一定的进展，有望成为肿瘤早期诊断与靶向治疗评价的重要手段。该文综述了肿瘤血管生成的分子影像学技术的最新进展。Abstract: Tumor angiogenesis has a close relationship with tumor growth, progression, metastasis and the prognosis of tumor patients. Therefore, tumor anti-angiogenic treatment arouses great public interest. Molecular imaging can characteristically display and measure the biochemical process of organisms at cellular and molecular level in vivo, which is based on the specific binding of molecular probe with high affinity and target molecules. In recent years, molecular imaging has a certain progress on visual and quantitative research of tumor angiogenesis and it is expected to become an important technique in the efficacy evaluation and prognostic assessment. This article summarizes the new advances of molecular imaging technology in tumor angiogenesis.
-
[1] Folkman J. Tumor angiogenesis: therapeutic implications. N Engl J Med, 1971, 285(21): 1182-1186. [2] Mazeron R, Bourhis J, Deutsch E. Angiogenesis: all a radiation oncologist should know. Cancer Radiother, 2008, 12(1): 50-60. [3] 张国鹏, 兰晓莉, 何勇, 等. 99Tcm-亚锡葡庚糖酸钠结合GGC序列监测基因治疗的实验研究.中华核医学杂志, 2011, 31(2): 128-133.
[4] Wang P, Zhen H, Zhang J, et al. Survivin promotes glioma angiogenesis through vascular endothelial growth factor and basic fibroblast growth factor in vitro and in vivo. Mol Carcinog, 2011[2012-01-10]. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/mc.20829/abstract;jsessionid=719EB7C1790AF3BC30D13D2BF55D8814.d03t02. [published online ahead of print July 14, 2011]. [5] 赵新明, 戴萌, 刘亚丽, 等. 99Tcm-survivin mRNA反义肽核酸制备及荷瘤裸鼠基因显像研究.中华核医学杂志, 2011, 31(5): 339-343.
[6] Li JL, Harris AL. Crosstalk of VEGF and Notch pathways in tumour angiogenesis: therapeutic implications. Front Biosci, 2009, 14: 3094-3110. [7] 杨明福, 李前伟.肿瘤血管内皮生长因子受体核素显像研究现状.国际放射医学核医学杂志, 2010, 34(1): 19-22.
[8] Blankenberg FG, Backer MV, Levashova Z, et al. In vivo tumor angiogenesis imaging with site-specific labeled 99Tcm-HYNIC-VEGF. Eur J Nucl Med Mol Imaging, 2006, 33(7): 841-848. [9] 黄定德, 李前伟, 刘广元, 等. 99Tcm标记多肽VEGF125-136及其生物学分布.第三军医大学学报, 2007, 29(17): 1660-1662.
[10] Backer MV, Levashova Z, Patel V, et al. Molecular imaging of VEGF receptors in angiogenic vasculature with single-chain VEGF-based probes. Nat Med, 2007, 13(4): 504-509. [11] von Wallbrunn A, Höltke C, Zühlsdorf M, et al. In vivo imaging of integrin ανβ3 expression using fluorescence-mediated tomography. Eur J Nucl Med Mol Imaging, 2007, 34(5): 745-754. [12] Liu S. Radiolaboled muhimeric cyclic RGD peptides as integrin ανβ3 targeted radiotracers for tumor imaging. Mol Pharm, 2006, 3(5): 472-487. [13] 余子璘, 贾兵, 刘昭飞, 等. 99Tcm标记RGD环肽四聚体在神经胶质瘤裸鼠模型中的显像研究.中华核医学杂志, 2009, 29(2): 103-108.
[14] 李玲, 胡漫, 于金明, 等.非小细胞肺癌99Tcm-HL91 SPECT乏氧显像中HL91摄取程度与乏氧诱导因子1α和血管内皮生长因子表达的关系.中华肿瘤杂志, 2009, 31(9): 669-673.
[15] Bourgeois M, Rajerison H, Guerard F, et al. Contribution of[64Cu]-ATSM PET in molecular imaging of tumour hypoxia compared to classical[18F]-MISO—a selected review. Nucl Med Rev Cent East Eur, 2011, 14(2): 90-95. [16] Grönroos T, Bentzen L, Marjamaki P, et al. Comparison of the biodistribution of two hypoxia markers[18F]FETNIM and[18F] FMISO in an experimental mammary carcinoma. Eur J Nucl Med Mol Imaging, 2004, 31(4): 513-520. [17] Wang JH, Min PQ, Wang PJ, et al. Dynamic CT evaluation of tumor vascularity in renal cell carcinoma. AJR Am J Roentgenol, 2006, 186(5): 1423-1430. [18] Sipkins DA, Cheresh DA, Kazemi MR, et al. Detection of tumor angiogenesis in vivo by ανβ3-targeted magnetic resonance imaging. Nat Med, 1998, 4(5): 623-626. [19] Gossmann A, Helbich TH, Kuriyama N, et al. Dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging as a surrogate marker of tumor response to anti-angiogenic therapy in a xenograft model of glioblastoma multiforme. J Magn Reson Imaging, 2002, 15(3):233-240. [20] Palmowski M, Huppert J, Ladewig G, et al. Molecular profiling of angiogenesis with targeted ultrasound imaging: early assessment of antiangiogenic therapy effects. Mol Cancer Ther, 2008, 7(1): 101-109. [21] Peng L, Liu R, Andrei M, et al. In vivo optical imaging of human lymphoma xenograft using a library-derived peptidomimetic against α4β1 integrin. Mol Cancer Ther, 2008, 7(2): 432-437. -
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 1972
- HTML全文浏览量: 1039
- PDF下载量: 2
下载: