硝基咪唑类化合物在乏氧组织中显像的原理是:硝基咪唑具有亲脂性, 其水分离系数为0.42, 很容易从血液扩散到组织中。进入细胞后在细胞内酶(主要是黄嘌呤氧化酶)的作用下, 硝基咪唑类化合物中的硝基被还原, 产生阴离子自由基。在正常氧水平细胞中, 阴离子自由基被氧化成化合物, 从而扩散到细胞外; 而在乏氧细胞中, 阴离子自由基不能发生氧化, 此时它与细胞内组分结合并滞留在细胞中。常见的硝基咪唑类乏氧组织显像剂包括:¹⁸F-氟硝基咪唑(¹⁸F-fluoromisonidazole, ¹⁸F-FMISO)、¹⁸F-1-α-D-[5′-脱氧-5′-氟阿拉伯呋喃糖基]-2-硝基咪唑(¹⁸F-fluoroazomycin arabinoside, ¹⁸F-FAZA)、¹⁸F-氟赤硝基咪唑(¹⁸F-fluoroerythronitroimidazole, ¹⁸F-FETNIM)、4-((2-硝基-1H-咪唑基)甲基-1H-1, 2, 3-三唑-3-(2-硝基苯磺酰氧基)丙醇乙酯[4-((2-nitro-1H-imidazol-1-yl)methyl)-1H-1, 2, 3, -triazol-1-yl)-propan-1-ol, HX4]、2-(2-硝基-1H-咪唑基)-N-甲基-(2, 2, 3, 3, 3-五氟丙基)乙酰胺[2-(2-nitro-1H-imidazol-yl)-N-(2, 2, 3, 3, 3-pentafluoropropyl)acetamide, EF5]、2-(2-硝基-1H-咪唑基-N-甲基-3, 3, 3-三氟异丙基)乙酰胺[2-(2-nitro-1H-imidazol-yl)-N-(3, 3, 3-trifluoro-propyl)acetamide, EF3]、¹²³I-碘代硝基咪唑核苷(¹²³I-iodoazomycin arabinoside, ¹²³I-IAZA)、¹²⁴I-IAZA、碘代硝基咪唑半乳糖苷(iodoazomycin galactoside, IAZG)、碘代硝基咪唑吡喃半乳糖苷(iodoazomycin galactopyranoside, IAZGP)等。

通过¹⁸F-epifluorohydrin和2-nitroimidazole反应来制备的¹⁸F-FMISO, 是临床上最早的用¹⁸F标记的乏氧组织显像剂, 目前已经实现自动化合成。将FMISO标记上¹⁸F形成发射正电子的示踪剂, 利用PET-CT可在体外探测¹⁸F-FMISO的湮灭辐射信号, 从而得到其在体内的分布图像。Troost等^[2]对10种不同的人类头颈部肿瘤鼠移植瘤模型进行¹⁸F-FMISO标记放射自显影, 并与乏氧标记物哌莫硝唑(pimonidazole)标记的免疫组织化学染色结果进行对比, 研究发现放射自显影图像中的信号强度与哌莫硝唑染色的乏氧部分显著相关。Valable等^[3]对鼠脑胶质瘤模型行¹⁸F-FMISO PET, 结果显示:¹⁸F-FMISO注入后积聚在脑周围组织中, 随后开始进入脑实质, 约在注入后50 min时, 健康大脑中¹⁸F-FMISO达到最大摄取值; 注入后1.5 h可在PET图像中区分乏氧与常氧组织; 2~2.5 h可观察到最大肿瘤/健康脑组织值, 显像图像较清晰。Rajendran等^[4]对73例活检证实为鳞癌的头颈部肿瘤患者于治疗前行¹⁸F-FMISO PET, 在显像结果不参与治疗计划的制定的情况下, 其中58例(79%)患者被证实有显著的乏氧, ¹⁸F-FMISO的肿瘤/血流最大值的平均值为1.6, 平均乏氧体积为40.2 ml, 中位随访72周后对实验数据进行统计学分析发现, 肿瘤/血流最大值、平均乏氧体积均与患者的预后显著相关, 证实¹⁸F-FMISO PET可以判断头颈部肿瘤患者的预后, 同时也证明¹⁸F-FMISO PET检测肿瘤乏氧区的可行性和实用性。¹⁸F-FMISO在临床及科研上作为乏氧显像剂的价值已得到国内外公认, 并用于多种肿瘤乏氧显像的临床研究^[5-6], 然而它的缺点是存在神经毒性和软组织吸收, 且在肿瘤中浓聚较慢, ¹⁸F-FMISO PET的靶/本底值较低, 图像质量欠佳。为克服这些缺点, 第二代的硝基咪唑类显像剂如¹⁸F-FAZA、¹⁸F-FETNIM、¹⁸F-HX4等正被广泛研究。

¹⁸F-FAZA用于PET检查, 其靶/本底值、肿瘤/肌肉值、肿瘤/血流值均较高, 是一种图像质量非常高的乏氧显像剂。与¹⁸F-FMISO相比, ¹⁸F-FAZA具有更快的血液和非靶组织清除率, ¹⁸F-FMISO主要通过肝脏代谢, ¹⁸F-FAZA则主要经肾脏排泄, 肠道内放射性低, 对于腹部肿瘤显像具有明显的优势。多项研究已证实¹⁸F-FAZA作为乏氧显像剂的可行性以及较高的图像质量, 并可根据其显像结果确定乏氧区, 从而制定放疗方案, 且高的¹⁸F-FAZA摄取值是肿瘤预后不良的独立预测因子^[7-9]。

对¹⁸F-FMISO的结构稍加改造, 即可得到亲水性强、毒性低、正常组织摄取较低的¹⁸F-FETNIM, 它在脑和骨骼中分布较少, 在肾和肠中分布较多, 且体内消除速率快, 是近年来的研究热点。¹⁸F-FETNIM的周围组织代谢率、脱氟率和乏氧组织代谢率均适用于PET, 且优于¹⁸F-FMISO, 是一种高度稳定、耐用的放射性显像剂。然而¹⁸F-FETNIM在组织中早期的摄取值是非常多变的, 受局部血流灌注的影响较大。研究表明¹⁸F-FETNIM反映肿瘤乏氧和氧合状态的效果是比较满意的, 且治疗后生存周期短的患者往往治疗前就有较高的¹⁸F-FETNIM摄取值, ¹⁸F-FETNIM PET与¹⁸F-3′-脱氧-3′-氟代胸苷PET联合显像能为放射治疗确定乏氧和再增殖生物学靶区, 以通过剂量调强放疗提高再增殖和乏氧区域的放疗剂量, 从而提高肿瘤的局部控制率和患者的远期生存质量^[10-11]。

¹⁸F-HX4的制备方法简单、方便, 能选择性地浓聚于恶性肿瘤, 可用于肿瘤组织乏氧情况的检测, 主要涉及肾脏及胆囊, 与肠道无关。¹⁸F-HX4将有可能克服¹⁸F-FMISO无法用于腹部空腔脏器显像的缺陷, 是近年来研究的一种新型乏氧显像剂。有研究报道¹⁸F-HX4注入体内后1.5 h, 肿瘤/肌肉值与¹⁸F-FMISO注入后2 h相似, 分别为1.94±1.03和1.85±1.01, 且¹⁸F-HX4较¹⁸F-FMISO有更高的乏氧组织敏感性和特异性^[12], 其应用前景广阔。

¹⁸F-EF5注入体内后, 能快速、均匀地分布到所有组织, 并且在体内的稳定性高, 是一种非侵入性评估肿瘤乏氧的有效方法。¹⁸F-EF5注入肿瘤患者体内后, 4~6 h肿瘤组织显像清晰, 且辐射剂量在安全范围内, 不同类型的肿瘤均可采用¹⁸F-EF5 PET进行乏氧显像^[13]。Mahy等^[14]分析了不同氧浓度下¹⁸F-EF3的药代动力学及生物学分布情况, 同时对¹⁸F-EF3和¹⁸F-EF5在同一模型中用免疫荧光检测方法进行对比, 结果显示:¹⁸F-EF3的摄取量与氧浓度呈负相关, ¹⁸F-EF3与¹⁸F-EF5的肿瘤/肌肉值相关。¹⁸F-EF3的药代动力学、生物学分布、代谢产物均与¹⁸F-FMISO相似, 在注射后4 h, 两者有相似的瘤内分布, 但¹⁸F-EF3对乏氧的特异性较¹⁸F-FMISO差, 说明¹⁸F-EF3并不比¹⁸F-FMISO更具优势^[15]。

近年来对于肿瘤乏氧显像剂的研究越来越多, 如¹²³I-IAZA和¹²⁴I-IAZA, ¹²³I-IAZA主要用于颅内肿瘤乏氧的临床研究, 但¹²³I-IAZA并非理想的乏氧组织显像剂, 主要因为它在体内吸收不稳定、个体差异大、有效半衰期长达8~12 h, 且易浓聚于甲状腺。Reischl等^[16]对人皮肤基底细胞肿瘤A431的荷瘤雌性裸鼠分别采用¹²⁴I-IAZA、¹⁸F-FAZA、¹⁸F-FMISO作为乏氧显像剂进行micro PET的对比结果显示:¹⁸F-FAZA的肿瘤/本底值高于¹⁸F-FMISO和¹²⁴I-IAZA, 虽然¹²⁴I-IAZA的肿瘤/本底值随注入时间的增加而增加, 但其比值在短时间内仍然低于¹⁸F-FAZA。

新一代放射性碘标记的IAZA类化合物如IAZG和IAZGP等, 脂溶性低, 体内清除较快。有研究报道¹²⁴I-IAZG在注射后24~48 h图像质量达到最佳, 全身本底逐渐消失, 有很大的乏氧显像潜力。Riedl等^[17]用鼠肝癌模型进行¹²⁴I-IAZG PET乏氧显像, 并与¹⁸F-FMISO进行对比, 结果显示¹²⁴I-IAZG的分布与¹⁸F-FMISO的分布呈正相关, ¹²⁴I衰变射线中正电子含量较低, 需要注射的剂量较高, 且¹⁸F-FMISO在PET图像的质量上比¹²⁴I-IAZG有明显优势。

¹⁸F-FDG是葡萄糖类似物, 其在体内具有与葡萄糖相似的生物学行为, 在细胞内己糖激酶的作用下转变成6-磷酸-¹⁸F-脱氧葡萄糖, 由于6-磷酸-¹⁸F-脱氧葡萄糖不是糖酵解的底物, 不参与葡萄糖的进一步反应, 因此滞留在细胞内而显像。¹⁸F-FDG PET是一种非侵入性的功能显像方法, 常用于肿瘤的诊断、分期及疗效监测。肿瘤乏氧时, 乏氧诱导因子1增加, 由于在PET显像中¹⁸F-FDG的摄取主要依赖于乏氧诱导因子1控制下蛋白质的表达, 故肿瘤对¹⁸F-FDG的摄取值间接反映了乏氧的水平。与FMISO、FDG、FETNIM相比, 在肿瘤/血浆滞留值上, FDG最高, FETNIM次之, 但在肿瘤/肌肉滞留值上, FETNIM明显高于FDG和FMISO, 通过肿瘤的放射性自显影显示, 乏氧区域吸收的FETNIM要比正常区域多^[18]。多项研究表明, ¹⁸F-FDG摄取值与肿瘤乏氧密切相关, 但亦有学者认为肿瘤¹⁸F-FDG摄取值与乏氧无明显联系^[19-20], 可见目前¹⁸F-FDG PET对肿瘤乏氧评估的意义仍存在争议。但¹⁸F-FDG是目前唯一被食品和药物管理局批准的可用于肿瘤PET显像的示踪剂, 目前广泛应用于各种肿瘤的诊断、分期、治疗指导、疗效评价及预后判断。

另一种具有巨大潜力的PET乏氧显像剂是放射性铜与ATSM的金属络合物Cu-ATSM, 这是一种中性亲脂性分子, 具有较高的细胞膜渗透性, 当细胞乏氧时, 它能转变成[Cu-ATSM]-沉积在细胞中。然而其在体内的稳定性欠佳, 本底摄取水平较高, 也在一定程度上限制了其临床应用。一般常用的铜的4种同位素包括:⁶⁰Cu(半衰期为0.4 h)、⁶¹Cu(半衰期为3.32 h)、⁶²Cu(半衰期为0.16 h)、⁶⁴Cu(半衰期为12.7 h), ¹⁸F-FMISO注射后2 h的摄取值与⁶⁴Cu-ATSM注射后10 min或24 h时的摄取值显著相关, 而⁶⁴Cu-ATSM注射后10 min的摄取值与¹⁸F-FDG的摄取值无明显相关性^[21-22]。Grigsby等^[23]研究了⁶⁰Cu-ATSM在肿瘤组织中的摄取与乏氧相关分子标志物如血管内皮生长因子、表皮生长因子受体和碳酸杆酶9等的关系, 结果提示⁶⁰Cu-ATSM是安全的放射性示踪剂, 可被用于获得高质量的肿瘤乏氧区图像, PET显像中⁶⁰Cu-ATSM高摄取值与血管内皮生长因子、表皮生长因子受体和碳酸杆酶9等的高表达密切相关, 并提示预后较差。

SPECT虽然在图像质量及定量分析上不如PET, 但其优点是普及度广, 大中型医院均可行SPECT检查, 且价格相对便宜, 故SPECT乏氧显像剂亦被广泛研究。

⁹⁹Tc^m标记的硝基衍生物是目前研究最多的用于SPECT的乏氧显像剂, 主要分为:BATO(boronic acid adduct of technetium dioxime)、PnAO(propylene amine oxime)、Schiff-base与BnAO(butylenes amine oxime)等4类。BMS181321是PnAO类中的一种, 也是第一个采用⁹⁹Tc^m标记的2-硝基咪唑类化合物, 曾被用于探测缺血心肌的乏氧状态, 但其脂溶性高、稳定性差、血液中清除速率慢、肿瘤/血流值与肿瘤/肌肉值均低, 故临床应用价值不大。BRU59-21是第二代BMS181321类似物, 其在体内外的稳定性高、清除速率快、肿瘤/血流值及肿瘤/肌肉值较高, ⁹⁹Tc^m-BRU59-21用于肿瘤的乏氧显像具有安全性、可行性及特异性^[24]。

⁹⁹Tc^m-4, 9-二氮-3, 3, 10, 10-四甲基十二烷-2, 11-二酮肟(⁹⁹Tc^m-4, 9-diaza-3, 3, 10, 10-tetramethyldodecan-2, 11-dione dioxime, ⁹⁹Tc^m-HL91)的结构属于BnAO类, 其稳定性好、水溶性高、血液中清除速率快, 在一系列⁹⁹Tc^m标记的硝基衍生物中显示出了更高的靶/本底值。有研究表明, 在采用⁹⁹Tc^m-HL91作为乏氧显像剂的SPECT显像中, 肿瘤乏氧区的摄取值明显高于常氧区, 且⁹⁹Tc^m-HL91的摄取值能预测肿瘤治疗反应及生存率^[25]。

¹²³I-IAZA和¹²⁴I-IAZA是早先研究较多的用于SPECT的乏氧显像剂。大量研究证明了其用于SPECT显像的可行性, 但其在体内不稳定、个体差异大、半衰期长、易浓聚于甲状腺等特点限制了其作为乏氧显像剂的临床应用。

乏氧显像灵敏度的影响因素包括:乏氧显像剂在乏氧组织中的滞留量、滞留时间以及在正常组织中清除的速率, 临床上理想的肿瘤乏氧组织显像剂需具备以下条件:①无毒、体内稳定、制备简单及可重复性; ②易选择性地浓聚于乏氧组织或细胞中, 靶/本底值尽可能大, 一般要求大于3:1;③生物半衰期适于显像, 且在乏氧组织中有一定的滞留时间; ④在血液及正常组织中分布均匀、清除速率快; ⑤在患者可承受的辐射剂量内显像质量高, 注射与显像时间间隔短, 并具有提供量化的能力。

综上所述, 检测肿瘤乏氧的最终目的是克服肿瘤乏氧细胞对放化疗的抵抗, 提高治疗疗效, 现已有许多硝基咪唑类和非硝基咪唑类乏氧显像剂用于临床或科研。随着国内外对肿瘤乏氧显像剂研究的不断深入以及核医学技术的发展, 更新、更理想的乏氧组织显像剂将会用于临床或科研。