钆类分子探针在肿瘤靶点显像中的研究进展

张亚力 综述 苏丹柯 审校

恶性肿瘤严重威胁人类的生命健康，其发生率及死亡率正呈现逐年上升的趋势，是我国居民主要死亡原因之一[1]。因此，针对恶性肿瘤的早期诊断及治疗是提高患者生存质量和改善预后的关键。

磁共振分子影像学是医学影像学研究的热门课题，其特征性优势是在传统的磁共振技术的基础上以细胞的特异性位点作为靶点将非特异性物理成像构建为特异性分子成像，并给予精准、定量的信息，能够为疾病早期的诊断和精准治疗提供重要参考信息。MR分子探针主要由转运载体和显像剂两部分组成，按照显像剂的成像机制不同，分子探针被分为两类：一类是阴性对比剂(T2弛豫缩短效应)，以超顺磁性纳米铁颗粒为代表；另一类是阳性对比剂(T1弛豫增强效应)，以钆、锰、锌等离子螯合物为代表。目前以钆剂的应用最为广泛，其临床应用率接已近40%[2]。本文主要针对钆类分子探针在肿瘤靶点显像的研究做一综述。

1 钆类分子探针的发展

近三十年里对提高钆剂的安全性的研究取了很大的突破，Guo等[3]研究发现与树枝状玻璃酸结合的钆剂复合物是一种非常安全、有效的微分子磁共振对比剂，具有很高的灵敏度且在人体内残留的较少。此外，钆剂在临床应用上具有其它对比剂无可比拟的优势[4]：钆离子为强顺磁性的物质，在T1加权图像表现为高信号，并能与多种物质结合为稳定的复合物，空间分辨率和信噪比较高。但是常规钆对比剂存在以下局限性：常规的钆螯合物靶向性欠佳且相同浓度的钆螯合物弛豫率低于顺磁性纳米铁颗粒(USPIO)。为解决上述问题，研究者们将钆离子连接于大分子结构上(例如脂质体、树突状分子、葡聚糖等)，以增强T1弛豫效应，再将其与肿瘤靶点的配体相结合制备分子探针，以实现肿瘤的靶向成像。

2 钆类分子探针的肿瘤靶点显像

为实现对肿瘤的精确显像，选择合适的肿瘤靶点尤为重要[5]。随着对肿瘤细胞表面过表达受体的深入研究，针对肿瘤细胞表面特异性受体的分子影像探针逐渐应用广泛[6]，比如对肿瘤新生血管受体、雌激素受体、叶酸受体等研究为肿瘤显像剂技术的成熟开拓了新的视野，现就钆类分子探针在各个靶点的应用现状展开具体的讨论。

2.1 钆类分子探针与整合素受体

整合素是由α亚基和β亚基两个亚单位通过非共价键组成的跨膜异二聚体蛋白，目前发现18种α亚单位，9种β亚单位，它们以不同组合组成24种整合素分子[7]。作为细胞黏附分子家族的一员，整合素介导了细胞之间以及细胞与细胞外基质间的相互黏附和识别。整合素αvβ3作为整合素家族的重要成员之一，因其在肿瘤新生血管表达的特异性增高，受到了研究者们的广泛关注。Zhou等[8]以β-环糊精连接的POSS(多面体低聚倍半硅氧烷)纳米金属作为载体，将整合素αvβ3的特异性配体RGD序列(精氨酸、甘氨酸、天冬氨酸)与钆剂合成cRGD-POSS-βCD-(DOTA-Gd)分子探针，通过细胞实验和动物实验发现在乳腺癌磁共振/荧光显像中相较非靶向对比剂，其图像清晰度及信号对比度得到显著提升。Park等[9]合成了两种整合素受体显像剂Gd-DOTA-c(RGD-ACP-K)和Dd-DOTA-c(RGD-ACH-K)，分别用体内和体外实验评估它们在肿瘤靶点的显像效能，结果发现它们对受体靶点都有很强的亲和力，且在血液中表现出较高的驰豫效应和较好的稳定性。Lalit等[10]同样通过RGD多肽与钆离子螯合物合成了整合素αvβ3受体靶向对比剂CA-12，与Omniscan(一种临床常用小分子对比剂)相比，CA-12显示出更高的弛豫率及靶向性。在小鼠注射CA-12对比剂4小时后的磁共振成像表明其药物代谢方式类似于Omniscan的肾脏消除途径；在注射后24小时内，小鼠无明显毒性反应，24小时后利用ICP-OES(电感耦合等离子体发射光谱法)分析组织样本也没有检测到钆离子的残留。可见，基于整合素受体的钆类分子探针在肿瘤新生血管显像中表现出了高靶向性、高对比度及低生物毒性，是未来肿瘤的诊断和治疗手段提升的有效切入点。

2.2 钆类分子探针与逆转录酶受体

现有的文献报道，约80%的恶性肿瘤高表达端粒酶活性[11]，而在正常细胞中除了胚胎干细胞、活化的生殖细胞、淋巴细胞外几乎都不表达。反义技术是根据碱基互补配对原理，将靶标基因DNA或mRNA合成的互补核苷酸链(反义核苷酸)通过转基因载体导入肿瘤细胞中，从而达到沉默并标记目标基因的技术。基于此项技术，朱高红等[12]将人工合成的逆转录酶反寡义核酸与钆离子通过1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7，10-四羧酸(DOTA)黏合，制备出逆转录酶特异性反义探针Gd-DOTA-hTERT ASON，以黑色素瘤A375细胞进行体外显像实验，并成功构建人黑色素瘤A375裸鼠模型，分别于腹腔注射前后行T1W1显像，最后以免疫组织化学方法检测端粒酶活性。结果显示A375细胞对靶向探针摄取率明显高于非靶向组；体内实验中注射Gd-DOTA-hTERT ASON组相较Gd-DTPA组表现出更长的强化时间及更高的信噪比。更值得注意的是，其免疫组化显示反义探针处理组肿瘤细胞端粒酶活性均低于非处理组，表明该分子探针对肿瘤端粒酶的高表达具有一定抑制作用，有望达到肿瘤的精确诊断与抑制治疗相结合的目的。

2.3 钆类分子探针与纤连蛋白受体

纤连蛋白是一种多聚体糖蛋白，纯化的纤连蛋白可增强细胞与细胞之间、细胞与基质之间的黏附。有研究显示[13]，纤连蛋白与肿瘤的侵袭和复发有密切关系，可作为肿瘤组织分化程度高低、侵袭性强弱、是否复发的判断指标，对临床发现早期肿瘤浸润、指导治疗及推测预后具有重要价值。小分子五肽精氨酸-谷氨酸-赖氨酸-半胱氨酸-丙氨酸(Cys-Arg-Glu-Lys-Alas，CREKA)能靶向结合肿瘤中的纤连蛋白分子，而不与正常组织中的这类物质相结合。Wu等[14]应用CREKA制备出靶向钆对比剂CREKA-dl-(DOTA-Gd)4，并构建裸鼠前列腺癌移植瘤模型，注射较低剂量对比剂后，磁共振及活体荧光图像上肿瘤在短时间内便显示出很强的信号，说明CREKA-dl-(DOTA-Gd)4是一种潜在的前列腺癌早期诊断高分辨率的靶向对比剂。Zhou等[15-16]同样利用了五肽分子(CREKA)成功合成了靶向探针CREKA-dl-(DOTA-Gd)3，发现探针在裸鼠乳腺癌组织中具有同样高的信号强度，并且当裸鼠晚期转移的乳腺肿瘤小于0.5 mm时仍可以测出精确的定位，纤连蛋白受体合成的钆类分子探针大大提高了肿瘤早期检出率。

2.4 钆类分子探针与血管内皮因子受体

作为血小板源性生长因子超基因家族的成员之一，血管内皮生长因子(VEGF)在调节血管生成和淋巴管的生成过程中起到了关键作用。肿瘤的生长极度依赖肿瘤新生血管的供养，因此通过抑制肿瘤新生血管中的血管内皮生长因子-血管内皮生长因子受体(VEGF-VEGFR)系统无疑成为了抑制恶性肿瘤发展的重要手段[17]。Jun等[18]构建了肿瘤新生血管靶向分子探针Gd-DTPA、血管内皮生长因子受体2(VEGFR2)抗体复合物——Gd-DTPA-anti-VEGFR2。体外实验表明，探针能与高表达VEGFR2的MS-1细胞特异性结合，为Gd-DTPA-VEGFR2抗体复合物在肿瘤新生血管显像奠定了基础。体内实验中利用CT-26结肠癌小鼠模型评估肿瘤血管生成情况，实验组注射Gd-DTPA-anti-VEGFR2，对照组注射Gd-DTPA抗大鼠IgG。T1加权成像显示，实验组信号强度约为对照组的3倍，并且实验组峰值增强时间明显延迟。最后，免疫组织化学方法验证了血管内皮生长因子受体2在肿瘤血管内皮细胞中呈现高表达。Kuo等[19]在体内研究发现血管内皮生长因子抗体与脂质体、磁共振对比剂结合的探针可以用于临床上追踪肿瘤的变化和判断肿瘤患者的分期。以血管内皮生长因子受体为靶标的钆类分子探针实现了非侵入性肿瘤新生血管的可视化，成为了追踪肿瘤动态变化的新手段。

2.5 钆类分子探针与叶酸受体

叶酸(Folic acid，FA)是一种分子量较小的B族维生素，其受体(Folate receptor，FR)为糖蛋白，在多数上皮来源的恶性肿瘤(如卵巢癌、胃癌、乳腺癌、膀胱癌等)细胞膜表面高度表达；而在绝大多数正常组织中几乎不表达。利用叶酸对叶酸受体的高度亲和性，使药物与叶酸偶联，将药物递送至肿瘤靶点是近年来一种新兴的抗肿瘤治疗方法[20]，基于此原理的分子影像学研究较多。Zheng等[21]研究了叶酸与钆螯合物合成的分子探针Gd-DTPA-poly-L-lysine-folate在叶酸受体阳性的裸鼠肺肿瘤模型中的显影效果，分别在六个不同的时间点测量组织MR信号强度，结果表明叶酸结合的钆螯合物能够长时间积累在表达叶酸受体(FR)的肺肿瘤中。其机制可能是由于与低分子量对比剂相比，基于叶酸缀合的钆螯合物有着较长血浆半衰期，从而增强了血池效应。Du等[22]发现叶酸与钆剂复合物FA-Dextran-DTPA-Gd在HeLa细胞中比普通钆剂Gd-DTPA显示出更高的弛豫效应和更低的毒性，表明此复合物具有作为肿瘤靶向对比剂的潜力。Nan等[23]合成了一种肿瘤叶酸受体(FR)靶向的荧光、顺磁性双模态脂质体，测得其平均直径为136 nm，分散性良好。通过荧光显微镜、磁共振成像(MRI)和流式细胞术(FCM)，分析其与FR阳性KB细胞(人口腔表皮样癌细胞)、HeLa细胞(人宫颈癌细胞)和FR阴性A549细胞(人肺腺癌细胞)的结合情况。荧光显微镜及FCM结果显示，用FR-靶向双模态脂质体处理的KB细胞的平均荧光强度(MFI)是非靶向脂质体处理组的45倍，用靶向脂质体处理的HeLa细胞的MFI是非靶向脂质体的33倍。相比之下，用FR-靶向脂质体处理的A549细胞的MFI几乎与用非靶向脂质体处理的MFI相同。MRI结果显示，与FR靶向脂质体孵育的HeLa和KB细胞的T1加权MR图像具有比用非靶向脂质体或游离Gd-DTPA处理组更高的信号强度。此研究证实了FR靶向双模态脂质体具有FR特异性和高效的细胞摄取，为肿瘤的双模态分子成像提供了新的思路。

2.6 钆类分子探针与雌激素受体

雌激素受体(ER)在很多乳腺癌细胞中过表达，是反映乳腺癌患者预后的一个重要因素，研发出一种分子影像学技术能定位出雌激素受体并在乳腺癌患者中评估其功能的意义深远。根据雌激素及其类似物与ER特异性结合的原理，有两种针对雌激素受体的对比剂：以钆类化合物材料四甲基吡啶醋酸钆(Pyridine tetra-acetate-Gd，PTA-Gd)为显像剂，分别与17β-estradiol(一种天然雌激素制剂)和Tamoxifen(雌激素部分激动剂)相偶联得到的钆分子探针E-PTA-Gd、T-PTA-Gd。Adi等[24]通过磁共振荧光联合实验对乳腺癌细胞MDA-MB-231和裸鼠移植瘤模型的研究，发现E-PTA-Gd和T-PTA-Gd有着相互竞争的作用，并能引起雌激素受体细胞的增殖、调控雌激素的基因表达水平。研究结果表明E-PTA-Gd对雌激素受体具有靶向性，能明显区分ER表达阳性与阴性的肿瘤；T-PTA-GD对肿瘤不具有明显靶向性，其信号主要存在于肌肉组织，但对疾病诊断起到了鉴别意义，并值得进一步深入研究。

3 小结与展望

钆类分子探针在肿瘤分子影像学中的研究具有广阔的前景，可以为临床肿瘤患者提供及时、精确的诊断和治疗方向，但目前在肿瘤诊断上的应用仍非常有限，针对肿瘤的靶点选择的研究仍处于初级阶段。靶点探针的合成难度大、研发成本过高，残留剂对人体的毒性等成为限制靶向分子探针发展的主要因素[25-26]。相信随着对生物材料技术、物理材料技术的不断深入研究，越来越多的高稳定性、高亲和力、广谱的钆分子探针将被研究出来，为肿瘤分子影像学不断开拓新的篇章。