靶向超声分子成像评价血管新生的研究进展

谢佳佳 综述 宾建平 审校

靶向超声分子成像技术[1]是指将带有特定配体的靶向超声微泡经静脉注入体内,通过配体与受体结合的方式,使超声微泡选择性地聚集于靶组织或靶器官,并通过对比超声检查产生靶组织细胞水平、分子水平显影的一种新兴的成像技术。该技术标志着超声影像学从非特异性的物理成像向特异性的靶向分子成像的转变,是当今世界研究的热点之一,本文就应用靶向超声分子成像评价血管新生的相关进展作一简述和探讨。

1.血管新生、新生血管成像的“靶向目标”及靶向超声微泡的构建策略

血管新生(angiogenesis)是指在机体生长发育过程中或创伤修复、缺血缺氧和炎症等情况下,原有微血管内皮细胞(endothelial cell,EC)经过生芽、迁移、增殖与基质重塑等形成新毛细血管的过程[2]。在组织再生、发育和创伤修复过程中,血管形成是一个基本的生理过程,如各种创伤、溃疡、心肌梗死、慢性感染等愈合过程都需要血管形成的参与,但是在许多病理状态下也存在血管生成失调,例如糖尿病视网膜病、动脉硬化和实体肿瘤等严重危害人类健康的疾病[3]。因此,高敏感性、无创性、靶向性、早期定性或定量评价血管新生对于心血管疾病(主要是缺血性心脏病和外周动脉闭塞性疾病)和肿瘤性疾病都具有重要的意义。对于心血管疾病来说,通过显示新生血管数量和空间分布来评估微血管对生长因子的早期反应,对指导向缺血局部组织输送促血管合成蛋白或基因是十分有用的。对于肿瘤性疾病来说,及早显示新生血管则能早期发现肿瘤及微小转移灶,有利于肿瘤患者的治疗;而动态性地监测新生血管则可以评估抗肿瘤治疗的效果[4]。

超声分子成像的关键是寻找“靶向目标”,并成功制备出与“靶向目标”具有高效、特异结合能力的靶向超声微泡。新生血管不同于正常组织的血管,它处于增殖状态,其内皮细胞表达大量的生长因子受体和黏附分子受体家族,正是这些与血管生成密切相关的受体可以成为靶向超声微泡的结合位点。因此,超声微泡的靶向策略主要是针对血管新生时其内皮细胞表达的分子,如αvβ3、VEGFR-2、组织因子等[5],从而制备出新生血管内皮细胞的一类靶向造影剂[6],实现新生血管的靶向超声分子成像。

目前,靶向微泡的构建主要有被动性靶向(passive targeting)和主动性靶向(active targeting)两种方法。被动性靶向主要是利用微泡外壳本身的带电荷性,使微泡容易在炎症或损伤部位被炎症细胞吞噬而实现的,但是该机制缺乏高度的特异性和靶向性,结合能力低,限制了其在靶向超声分子成像技术中的应用。主动性靶向则是在微泡表面连接特异性的抗体或配体,使微泡能结合到病变部位细胞所表达的特异性抗原上[7～9]。微泡不再需要通过白细胞的介导,而是直接与病变组织和器官的小血管内皮细胞结合。这一机制避免了吞噬细胞对微泡的破坏,具有高度特异性和靶向性的特点,已成为靶向微泡构建的主要方式。

2.肿瘤血管新生的分子成像

2.1 整合素靶向微泡 整合素家族是一个内皮细胞膜蛋白家族,它是一种跨膜黏附受体,作为含有精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸多肽的细胞外基质蛋白的黏附受体,能够控制肿瘤血管内皮细胞的增殖和存活。αvβ3受体是整合素家族中最重要的一种分子,它在静息细胞内几乎不表达,在平滑肌细胞上也是仅有少量的表达,而在肿瘤新生血管和肿瘤细胞均有高表达[10]。因此,利用作用于αvβ3的靶向微泡将可以实现肿瘤新生血管的显影。Leong-Poi等[11]利用基质胶血管新生模型观察到携带抗αv单抗或者echistatin(一种与表达在新生血管内皮细胞特定分子结合的、由68个氨基酸结合的解离素)的超声微泡能有效地黏附于基质胶新生血管内皮上,而非靶向微泡则未见有效的黏附。基于αvβ3是肿瘤新生血管内皮上表达的特异性受体,Ellegala等[12]将抗αvβ3单抗连接到脂质微泡表面,利用抗原抗体特异性结合的性质实现了肿瘤靶向超声显像的目的。他们在成功复制大鼠脑胶质瘤模型的基础上,注入靶向超声微泡,在体显微镜下发现靶向微泡更多地聚集在肿瘤微血管内,而非靶向微泡则无此现象,同时观察到靶向微泡信号更多地集中在整合素表达最多的肿瘤周边部位,并且其信号强弱与肿瘤血管内血流量呈正显著相关。

2.2 血管内皮生长因子及其受体的靶向微泡 血管内皮生长因子(vascular endothelialgrow th factor,VEGF)的表达与血管形成程度之间有紧密的联系。通常情况下,单独的VEGF表达水平处于静息状态,只有当它与其受体(vascu lar endothelial grow th factor receptor,VEGFR)结合后才能发挥作用。其中, VEGFR-2是VEGF发挥功能的主要受体,它的活性与肿瘤的转移和保持血管的完整性有关。因此,利用靶向作用于VEGFR-2的靶向微泡也可以实现肿瘤新生血管的显影。W illmann等[13]将携带抗VEGFR-2单抗的脂质微泡用于评价肿瘤血管新生,在成功复制大鼠胶质瘤和小鼠血管肉瘤模型的基础上,注入靶向和非靶向超声微泡,观察到在两种不同的肿瘤模型中靶向微泡的信号均要明显强于非靶向微泡。Rychak等[14]也在这方面进行了有益的探索,研究发现携带抗VEGFR-2单抗的靶向微泡与人黑色素瘤新生血管内皮细胞的结合要明显高于非靶向微泡,靶向微泡的信号强度约为非靶向微泡的2倍,初步实现了肿瘤血管的靶向显影。

2.3 其他靶分子的靶向微泡 目前,尚有其他的靶分子可以实现新生血管的分子成像。Weller等[15]假设结合有A rginine-A rginine-Leucine(RRL)序列的脂质微泡可优先黏附于肿瘤新生血管,既而在前列腺肿瘤模型上分别注入携带有RRL序列的靶向微泡和非靶向微泡,结果发现:携带有RRL序列的靶向微泡的信号强度约为非靶向微泡的10倍。但目前,该靶向微泡的靶分子尚未明确。

2.4 双靶向超声微泡 目前,双靶向微泡的制备已经取得了成功并应用于肿瘤血管新生的评价。Willmann等[16]成功制备同时携带抗VEGFR-2单抗和抗αvβ3单抗的双靶向微泡,并将其用于评价人卵巢癌模型。他们分别注入携带有抗VEGFR-2单抗和抗αvβ3单抗的双靶向微泡、抗VEGFR-2单抗微泡和抗αvβ3单抗微泡,结果发现双靶向微泡的信号强度要明显强于两种不同的单靶向微泡。双靶向微泡造影剂的出现大大地提高了靶向超声分子成像技术评价肿瘤血管新生的敏感性,更加有利于肿瘤的早期发现和疗效的动态监测。

3.心血管疾病血管新生的分子成像

对于缺血性心脏病和外周动脉闭塞性疾病来说,炎症反应对于其血流恢复具有重要的作用[17]。通过增加外周血中单核细胞浓度能够促进缺血下肢的血管重构[18],但如果抑制细胞黏附分子或MCP-1的信号通路,则会减少血管重构[19]。这就为心血管疾病的靶向分子成像提供了新的思路,即超声微泡的靶向策略不仅可针对新生血管内皮细胞表达的特异性分子,也可针对血管新生过程中征募的炎症细胞。

3.1 内皮细胞整合素靶向微泡 Leong-Poi等[20]将标记echistatin的微泡用于评价外周动脉闭塞性疾病的血管重构情况。通过结扎髂外动脉建立了大鼠下肢缺血模型,并将其分为碱性成纤维细胞生长因子(basic fibrob last grow th factor,bFGF)治疗组和非治疗组,利用携带echistatin的靶向微泡评价其血管重构。结果表明:无论是治疗组还是非治疗组,靶向分子成像都能在缺血下肢的血流恢复之前探测到分子信号,成功评价治疗性或内源性血管新生。

3.2 炎症细胞靶向微泡 Behm等[21]在这方面进行了有益的探索。通过结扎小鼠一侧髂总动脉建立了下肢缺血模型。分别注入靶向作用于中性粒细胞补体受体、单核细胞α5-整合素、vascu lar cell adhesionmolecu le(VCAM-1)的超声微泡,结果发现:在缺血下肢血流恢复之前,即可探测到这3种靶向微泡的分子信号,提示这3种靶向分子成像具有预示血管新生的作用。

4.存在的问题

国内外研究都证实了携带特异性配体的靶向超声微泡具有一定的新生血管靶向能力,为新生血管的早期定位诊断提供了一种新思路和新手段,具有广泛的应用前景。但是,目前该技术仍处于实验研究的起步阶段,从基础研究走上临床应用还需要解决以下问题:①单克隆抗体-微泡复合物构筑的靶向微泡分子量过大,体内应用时普遍存在组织穿透力弱,静脉注射后实际到达靶部位的浓度低,显像效果不理想等缺陷,严重限制了靶向超声分子成像的临床实际应用[22]。因此,进一步改进和优化靶向超声微泡的构建技术,制备出穿透力强、寻靶作用强,且显影效果好、安全性高的靶向超声微泡将成为靶向声学显像领域中重要的研究方向之一。②进一步在血管新生模型上探讨其分子学图像特征和效果,使超声微泡技术发展成为一种评价血管新生的分子影像技术。

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