分子影像引导HER2阳性肿瘤诊疗新进展

郭晓轶，周妮娜，刘特立，徐晓霞，夏雷，朱华，杨志

0 引言

酪氨酸激酶受体erbB-2是由原癌基因ERBB2基因编码的一种蛋白，常被称为人表皮生长因子2（HER2），是人表皮生长因子（HER/EGFR/ERBB）家族成员之一[1]。HER2扩增或过表达与肿瘤高侵袭性，易复发，死亡率增加密切相关。研究显示,在乳腺癌（20%～30%）[2]、胃癌（7%～34%）[3-4]、卵巢癌、肺癌和前列腺癌中均存在不同程度的HER2过表达，HER2过表达往往预示患者预后差。HER2过表达的患者能够从HER2靶向治疗中获益。HER2的表达水平对肿瘤靶向治疗具有指导作用[4]。目前，IHC/FISH等传统的HER2检测方法为局部有创检测，无法实现全身评估、疗效监测，也无法解决肿瘤异质性的问题。分子影像诊断以人全身为研究对象，将肿瘤影像诊断提高到肿瘤细胞特异性表达的分子水平，通过生物靶向探针，在组织水平、细胞和亚细胞水平反映活体状态下分子水平变化，对其生物学行为在影像学方面进行定性和定量研究[5]。通过核素标记免疫治疗药物分子并利用分子影像诊断方式进行实时、在体的检测，能够为患者筛选、疗效监测、治疗方案优化、预后评估提供新方法。本综述以目前已有的HER2分子探针为基点，对分子影像引导肿瘤靶向治疗发展趋势进行分析。

1 HER2靶向药物的应用

分子靶向治疗以肿瘤细胞的特性改变，即以已知与肿瘤恶性行为密切相关的异常分子和基因为作用靶点，可以选择性杀伤肿瘤细胞，在发挥更强的抗肿瘤活性的同时，减少对正常细胞的毒副作用，具体机制见图1。目前HER2分子靶向药物主要分为两大类：（1）单克隆抗体：曲妥珠单抗，帕妥珠单抗；曲妥珠单抗-美坦新偶联物（T-DM1）；（2）酪氨酸激酶抑制剂：拉帕替尼、阿法替尼、来那替尼。

HER2分子靶向药物在临床应用的过程中，我们需要考虑的问题：如何筛选HER2分子靶向治疗可能有效的患者、如何监测患者对分子靶向药物的响应、如何与传统治疗方法配合以提高疗效、如何解决分子靶向药物的耐药性问题等。

ToGA的临床三期研究结果显示，HER2过表达晚期胃癌患者抗HER2 靶向治疗客观有效率仅为47.3%。即使初始有效，也最终出现恶性肿瘤复发及耐药。此外，Trastuzumab单抗自身具有较强的心脏毒副作用，每10例接受Trastuzumab单抗治疗的乳腺癌患者中就有1例会发生心脏毒性[4,6]。另一方面，单克隆抗体在恶性肿瘤的靶向治疗中表现出高度异质性。如胃癌中，仅组织学HER2表达阳性的胃癌患者可以从Trastuzumab抗HER2的靶向治疗中获益[7]。因此，实现靶向药物在肿瘤治疗中的个体化治疗、精准治疗将成为肿瘤诊疗最值得关注的问题。临床检测HER2表达是通过免疫组织化学（IHC）和荧光原位杂交（FISH）等传统方法，但IHC/FISH方法测定结果仅为病理切片的HER2表达水平，不能提供机体整体与远处转移时HER2表达信息[8]，且无法实现在体、实时、动态监测HER2表达状态；除此之外，HER2在恶性肿瘤中表现出高度异质性，IHC/FISH方法仅能检测出10%～24%原发肿瘤和转移灶之间HER2表达水平不一致[9]。我们迫切需要新的检测方法解决这些问题。

2 临床转化的靶向HER2分子探针

核医学分子示踪技术利用放射性分子探针可以特异性的无创检测和评估肿瘤患者的全身病灶的HER2表达信息，早期获得患者肿瘤组织对单抗的响应情况，为HER2高表达肿瘤治疗过程中患者筛选、监测疗效、耐药性和复发转移提前预警，为HER2生物学行为密切相关的信号转导通路提供可视化研究方法。

目前靶向HER2的配体包括单克隆抗体、Fab、Affibody等。制备分子探针需要选择物理半衰期与HER2配体生物半衰期相匹配的放射性核素，得到最佳成像时间。单克隆抗体选择长物理半衰期核素如89Zr（T1/2=78 h）和111In（T1/2= 67 h）进行标记，可以与单抗的生物半衰期（T1/2约72 h）相匹配。Fab和Affibody可以选择短半衰期核素如68Ga或18F（68Ga，T1/2=68 min；18F，T1/2=110 min）标记。中等半衰期核素如64Cu（T1/2=12.7 h）也可用于对单克隆抗体进行标记。常规正电子核素（如11C、13N、15O、18F）的半衰期太短，不支持抗体成像。

目前许多PET和SPECT分子探针已进入临床（临床期或已进入临床Ⅰ期、Ⅱ期试验）检测HER2阳性乳腺癌原发灶及转移灶，见表1，本文主要介绍以曲妥珠单抗、Fab、Affibody为标记前体的分子探针。这些分子探针可更准确的诊断和指导HER2靶向治疗。

图1 HER2介导的信号转导通路(A)和HER2靶向药物的抗肿瘤作用机制(B)Figure1 HER2-mediated signal-transduction pathways(A) and antitumor mechanism of HER2 targeted drugs(B)

表 1 已进入临床转化阶段的HER2分子探针Table1 HER2 molecular probe in clinical research

2.1 Trastuzumab为标记前体的核素靶向分子探针

2.1.1111In-MxDTPA-trastuzumab 2001年，Behr教授用单光子核素铟-111标记曲妥珠单抗，成功检测到肝转移灶，这是首次用核素标记曲妥珠单抗，具有里程碑意义[23]。2006年，Perik实验团队用111In-MxDTPA-trastuzumab分子探针评估曲妥珠单抗治疗相关的心脏毒性和分子探针在肿瘤中的摄取。这项研究的结果显示在111In-MxDTPA-trastuzumab分子探针筛选HER2阳性患者是可行的，且筛选的患者可以从曲妥珠单抗治疗中获益[11]。Gaykema实验团队研究曲妥珠单抗的治疗是否影响肿瘤对111Intrastuzumab的摄取。研究表明，曲妥珠单抗治疗使肿瘤对111In-trastuzumab的摄取降低20%，111Intrastuzumab可以用于曲妥珠单抗靶向治疗过程中的显像[12]。

Wong实验团队评估111In-MxDTPA-trastuzumab分子探针在HER2阳性患者的体内生物分布、药代动力学、免疫原性和肿瘤摄取情况[10]。在此研究中，注射111In-MxDTPA-trastuzumab的8例患者耐受良好，未出现不良反应。7例已知阳性患者中，3例肿瘤位置有高摄取。继续观测2月，患者未出现免疫反应，说明该分子探针的安全性。

2.1.289Zr-DFO-trastuzumab89Zr是一种富有魅力的核素，89Zr的物理半衰期是78 h与单抗的生物半衰期72 h相匹配。89Zr与111In相比，具有更高的空间分辨率和更好的信噪比，而且PET相比SPECT而言，能够定量分析。2009年，格罗宁根大学医学中心Dijkers教授及其实验团队首次实现对曲妥珠单抗进行89Zr放射性标记及动物成像研究。在此研究中发现89Zr-DFO-trastuzumab分子探针有较好的肿瘤放射性摄取和较高的T/NT值，且生物分布与111In-MxDTPA-trastuzumab相一致[13]。在Dijkers及其实验团队的后续临床转化研究中，招募40名HER2阳性乳腺癌患者进行89Zr-DFO-trastuzumab显像研究。在此研究中显示评估最佳时间是4～5天。89Zr-DFO-trastuzumab分子探针能检测出大部分阳性病灶，不仅能检测出HER2阳性的原发灶，也能检测出HER2阳性的转移灶，而且能检测出18FFDG未发现的脑转移灶[14]。

斯隆-凯特林纪念癌症中心MSKCC的Ulaner教授及其实验团队研究89Zr-DFO-trastuzumab分子探针是否可以检测出HER2阴性原发肿瘤的HER2阳性转移灶。该临床试验招募了9例HER2阴性患者，所有患者病理证实HER2阴性。在此研究中，5例患者检测出转移灶有高摄取，病理活检发现2例患者病理证实HER2阳性，3例患者病理证实HER2阴性。本研究的重要发现是89Zr-DFO-trastuzumab分子探针可以检测出HER2阴性患者的HER2阳性转移灶。虽然只是小样本，这些结果可以为HER2肿瘤异质性提供了一种解释假设：为什么少数HER2阴性患者可以从HER2靶向治疗中获益[15]。目前该中心O'Donoghue教授及其实验团队正在招募HER2阳性食管胃交界肿瘤患者进行89Zr-DFO-trastuzumab的临床研究[16]。

2.1.364Cu-DOTA-trastuzumab64Cu（T1/2=12 h）是中等半衰期核素。MSKCC的Tamura教授及其实验团队首次发起64Cu-DOTA-trastuzumab临床研究，研究该分子探针在人体内的安全性、生物分布、辐射吸收剂量和HER2阳性肿瘤的显像。此项研究招募6例原发性或转移性HER2阳性乳腺癌患者，注射130 MBq64Cu-DOTA-trastuzumab后，分别于注射后1、24、48 h采集图像。收集血液、尿液和非靶组织等样本来评估此分子探针的生物分布、辐射吸收剂量。该研究显示，注射后48 h是图像最佳采集时间。该研究的重要发现是64Cu-DOTA-trastuzumab整个过程中的辐射吸收剂量与PET经典显像剂18F-FDG的辐射吸收剂量相近。在6例患者中，2例患者检测出脑转移灶。3例患者检测出原发病灶，且检出区域与CT相同[17]。

基于Tamura教授及其实验团队64Cu-DOTA-trastuzumab能成功检测出HER2阳性原发性乳腺癌患者的脑转移灶的发现，国立癌症中心医院Kurihara教授及其实验团队进行更深入64Cu-DOTA-trastuzumab对检出HER2阳性患者脑转移灶的研究。此项研究招募5例确诊为HER2阳性乳腺癌的脑转移患者，进行64Cu-DOTA-trastuzumab显像研究。5例患者脑转移灶中均可见阳性摄取。该研究进一步证实曲妥珠单抗可能通过血脑屏障，可以检测到HER2阳性转移灶[24]。这些研究证实，64Cu-DOTA-trastuzumab可以无创探测患者的原发灶和转移灶。

目前，北京大学肿瘤医院核医学科正在进行64Cu-NOTA-trastuzumab检测HER2阳性胃癌患者原发病灶及转移病灶的临床研究，患者正在招募中[18]。

2.2 Trastuzumab以外的核素靶向分子探针

2.2.168Ga-DOTA-F(ab′)2-trastuzumab Fab抗体仅含Fab分子，Fab段由完整的轻链（恒定区CL和可变区VLCL）和重链Fd段（第一恒定区CH1和可变区VH）通过一个二硫键连接形成异二聚体，整个分子大小约占总抗体的三分之一，仅含有一个抗原结合位点，可以保存与抗原结合的功能。Beylergil及其实验团队开展68Ga-DOTA-F(ab′)2-trastuzumab分子探针评估HER2表达水平的临床前研究，评估68Ga-DOTA-F(ab′)2-trastuzumab毒性，药代动力学，生物分布和辐射吸收剂量。该研究纳入15例乳腺癌患者，其中7例HER2阴性患者，8例HER2阳性患者。在HER2阳性组，7例接受曲妥珠单抗治疗和1例未经曲妥珠单抗治疗。4/8阳性患者显像中发现已知原发灶和转移灶[19]。

2.2.268Ga-HER2 Affibody 2010年，Baum教授及其实验团队开展了68Ga-ABY-002 和111In-ABY-002在HER2阳性肿瘤患者中的显像研究。该研究招募了3例患者，进行18F-FDG与68Ga-ABY-002和111In-ABY-002的对比显像研究，68Ga-ABY-002和111In-ABY-002检测到9例病灶，18F-FDG检测到11例病灶。该研究表明，68Ga-ABY-002和111In- ABY-002具有检测HER2阳性病灶的潜能；且ABY-002代谢较快，可以在注射后2 h获得高品质的PET/SPECT图像。但仍需要进一步研究优化此类Affibody分子探针的剂量、时间、敏感度和特异性等[25]。2014年，Sörensen及其实验团队重新设计的了靶向HER2的Affibody小分子ABY-025并开展了111In-ABY-025生物分布、安全性、辐射吸收剂量和肿瘤靶向性评估。ABY-025与ABY-002相比，提高了肿瘤与背景比值，从而检出更多的转移病灶（最重要的是肝转移灶）[20]。2014年，Sörensen及其实验团队开展了68Ga-ABY-025在HER2阳性肿瘤患者中的显像研究。研究表明68Ga-ABY-025可以定量测定HER2阳性乳腺癌转移患者的HER2表达水平[21]。

2.2.368Ga-HER2-Nanobody 纳米抗体（Nanobodies）来源于抗体的重链特定结构，是最小能与抗原结合的抗体片段。Keyaerts及其实验团队的初步评估了68Ga-HER2-Nanobody分子探针的安全性、生物分布和辐射吸收剂量。此项研究中招募了20例原发性或转移性乳腺癌患者。所有患者注射68Ga-HER2-Nanobody后未出现不良反应。1 h仅10%放射性剂量滞留在血液中；其辐射剂量与其他常规使用的PET示踪剂相当；在肾脏、肝脏和肠中摄取量较高，但在其他器官中的背景水平很低，能清楚显示HER2阳性乳腺癌的原发灶或转移灶，可在Ⅱ期临床试验中进一步评估[22]。

3 总结

近年来，肿瘤免疫治疗已成为继肿瘤传统治疗方法后的又一种重要的肿瘤治疗方法。但是，并不是所有的患者都对肿瘤免疫治疗有响应。核医学分子探针进行全身显像并指导肿瘤治疗。HER2靶向分子探针有望高敏感度、特异性、无创检测HER2阳性肿瘤的原发灶及转移灶的HER2表达情况，为HER2阳性肿瘤患者靶向治疗提供指导。