99Tcm标记葡萄糖类衍生物肿瘤代谢显像剂的研究进展

2019-12-04王勤奋齐秀萍

医学综述 2019年22期

王勤奋，齐秀萍

(三亚中心医院(海南省第三人民医院)a.核医学科，b.临床药学室，海南三亚 572000)

Sols和Crane[1]于1954年提出利用2-脱氧-D-葡萄糖在己糖激酶磷酸化后，不进入下一步代谢的滞留特性，对机体葡萄糖代谢进行研究。1974年，18F-2-脱氧氟化葡萄糖正电子发射计算机体层显像(18F-2-deoxy-D-fluoro-glucose positron emission tomography，18F-FDG PET)开始用于肿瘤葡萄糖显像[2]。葡萄糖除提供机体能量外，还密切参与细胞信号转导、分子识别、表面黏附等重要生理过程。恶性肿瘤组织和正常组织间最显著的差异之一是细胞内糖酵解的增加和氧化磷酸化的降低，导致恶性肿瘤细胞对葡萄糖的摄取远高于正常细胞，被称之为Warburg效应[2-3]。目前，18F-FDG PET已在临床广泛应用于原发、转移、复发肿瘤的诊断和疗效评估等。18F-FDG PET的临床应用存在一些局限性，主要包括：①假阳性：18F-FDG是非特异肿瘤显像剂，只能评估细胞质的活性，不能评估细胞核的活性,一些良性病变(如肉芽肿、感染等)可出现假阳性；②假阴性：见于高分化的恶性肿瘤；③费用昂贵：需要配备价格昂贵的回旋加速器、PET仪，这在一定程度上限制了18F-FDG PET 的临床适用性[4-6]。99Tcm是一种最常用、短半衰期、能量适宜的核素，99Tcm多样的配位化学适于进行探针的标记，99Tcm通过发生器即时取得，葡萄糖衍生物可用冻干药盒供应，这提供了99Tcm标记葡萄糖类衍生物的便利性[3]。自从99Tcm-双半胱氨酸脱氧氨基葡萄糖(ethylenedicysteine deoxyglucose，ECDG)用于肿瘤代谢显像以来，多种99Tcm标记葡萄糖类衍生物被合成和用于肿瘤代谢显像[2,7]。现就99Tcm标记葡萄糖类衍生物的研发和临床应用进展予以综述。

1 99Tcm标记葡萄糖类衍生物的设计

天然葡萄糖中的羟基不是很强的供体，糖分子的许多立体中心使得糖功能化的保持较难。葡萄糖类衍生物的设计需要考虑保持衍生物与葡萄糖转运体(glucose transporters，Gluts)和己糖激酶合理的活性水平。研究证实，在葡萄糖的C2位引入氨基、巯基、羧基、羰基等可以增强99Tcm与葡萄糖类衍生物的结合[3]。氨基葡萄糖是目前研究最多和最有吸引力的葡糖基载体，与葡萄糖有着共有的代谢通路，其氨基起着配位点和功能靶的作用。氨基葡萄糖与FDG之间有一个结构上的相似性，在糖的C2位上，FDG和氨基葡萄糖分别有F和氨基，研究显示，即使在配位基团大的情况下，氨基葡萄糖仍能保留与Gluts和己糖激酶的活性[2-3,7]。另外，99Tcm标记氨基葡萄糖还通过氨基己糖的生物合成途径定位于细胞核内，葡萄糖通过Gluts转运进入细胞后，转化为6-磷酸果糖，在谷氨酰胺6-磷酸果糖酰胺转移酶的作用下，利用谷氨酰胺的氨基生成6-磷酸氨基葡萄糖；氨基葡萄糖和N-乙酰氨基葡萄糖通过Gluts转运进入细胞后，经磷酸化生成1-磷酸-N-乙酰氨基葡萄糖，再与二磷酸尿苷相互作用产生二磷酸尿苷-N-乙酰氨基葡萄糖；在N-乙酰氨基葡萄糖转移酶的催化下，N-乙酰氨基葡萄糖参与了许多转录因子(如丝氨酸、苏氨酸残基)的糖基化；N-乙酰氨基葡萄糖转移酶修饰了大量核质蛋白，密切相关于细胞内葡萄糖、二磷酸尿苷和二磷酸尿苷-N-乙酰氨基葡萄糖的浓度，这样通过放射性标记的氨基葡萄糖衍生物的显像实现了对细胞N-乙酰氨基葡萄糖转移酶活性的反映[8-9]。

2 99Tcm标记葡萄糖类衍生物的分类

2.1双功能螯合剂标记法用双功能螯合剂螯合99Tcm和糖代谢的核心功能团脱氧葡萄糖是最早采用的方法。用双半胱氨酸耦联脱氧氨基葡萄糖，再以99Tcm标记，得到第一个99Tcm标记葡萄糖类衍生物99Tcm-ECDG；用其他不同的螯合剂合成了99Tcm-硫基乙酰三甘氨脱氧氨基葡萄糖(mercaptoacetylglycylglycylglycine deoxyglucose，MAG3DG)、99Tcm-单胺单酰胺二硫醇丁酸脱氧氨基葡萄糖、99Tcm-二乙三胺五乙酸脱氧氨基葡萄糖(diethylenetriaminepentaacetate deoxyglucose，DTPADG)和99Tcm-异腈脱氧氨基葡萄糖(isonitrile deoxyglucose，CN5DG)[10-11]。

2.2糖分子中插入官能团标记法利用硫原子可以形成两个共价单键，将硫原子插入β-D-葡萄糖中形成S-β-D-葡萄糖(thio-β-D-glucose，TG)，再以99Tcm标记，得到99Tcm-1-TG、99Tcm-5-TG；近年来也有尝试将水杨醛、琥珀酸酐耦联到氨基葡萄糖上，再以99Tcm标记，得到99Tcm-N-(2-羟基苄基)-2氨基-2脱氧-D-葡萄糖、99Tcm-2-(3-羧基-1-氧化丙基)氨基-2-脱氧-D-葡萄糖[7,10]。

2.3复合锝核心标记法用不同的复合锝核心99TcmN、99TcmO、99Tcm(CO)3耦联二硫代氨基甲酸脱氧葡萄糖(deoxyglucose dithiocarbamate，DGDTC)、葡萄糖或氨基葡萄糖等，得到不同种类的99Tcm标记葡萄糖类衍生物[7,10]。

3 不同 99Tcm标记葡萄糖类衍生物的研发和应用研究现状

3.199Tcm-ECDG的研发、生物分布和临床试验研究99Tcm-ECDG通过Gluts和己糖激酶聚集在依赖葡萄糖为能量来源的细胞中，在代谢过程中，双半胱氨酸上的两个巯基与细胞质和跨膜蛋白上的β-N-乙酰氨基葡萄糖糖苷酶、O-连接的N-乙酰氨基葡萄糖转移酶起反应，组成(ECDG)S-S(protein)肽链接体而支持ECDG进入细胞核，而后参与了细胞核的转录、信号转导等多样化过程[8,10]。Yang等[12]进行的一项肺癌A549体外摄取和荷A549瘤鼠生物学分布、γ显像研究，证实了99Tcm-ECDG对肿瘤显像的可行性；99Tcm-ECDG的体外细胞摄取在4 h达到注射剂量的0.5%，而18F-FDG在4 h的摄取为0.6%，在葡萄糖存在时，99Tcm-ECDG的摄取是下降的；荷瘤鼠99Tcm-ECDG的肿瘤/肌肉(T/M)、肿瘤/脑(T/Br)随时间增加并高于18F-FDG，而18F-FDG的肿瘤/血(T/B)则高于99Tcm-ECDG，γ显像能在2 h、4 h很好地显示肿瘤。该研究组随后比较了99Tcm-ECDG和18F-FDG对荷瘤鼠化疗反应的评价，结果显示，因为99Tcm-ECDG参与了细胞周期的增殖，99Tcm-ECDG比18F-FDG更好地评价了荷瘤鼠化疗后的效果[13]。

近年来，99Tcm-ECDG已进入早期临床研究。一项99Tcm-ECDG单光子发射计算机断层扫描/计算机断层扫描(single photon emission computed tomography/computed tomography，SPECT/CT)早期评价9例局部进展性头颈部鳞癌放化疗后反应的初步临床研究显示，99Tcm-ECDG准确地预测了7例(77.8%)患者肿瘤对治疗的反应状态[14]。唐军等[15]的一项99Tcm-ECDG肿瘤显像可行性研究显示，6例恶性病变均为阳性，2例良性病变(肺炎、肺结核)均为阴性，诊断准确率达100%。Schechter等[16]进行的一项99Tcm-ECDG在非小细胞肺癌患者的显像，6例肺恶性肿瘤患者SPECT均显示，1例最终病理为肺肉芽肿的患者SPECT未见摄取，同时进行的辐射剂量学测定显示患者接受的平均有效剂量当量为6.89 mSv/1 110 MBq，研究证实了99Tcm-ECDG显像的可行性和安全性。最近，Dai等[17]报道了一项17例活检组织学证实的非小细胞肺癌患者，用99Tcm-ECDG对肿瘤进行检测和分期的Ⅱ期临床研究，结果显示，99Tcm-ECDG与18F-FDG对原发和转移病变检测的符合率分别为100%和70%。虽然，与18F-FDG相比，99Tcm-ECDG的肿瘤摄取较低，血液本底较高，但这几项临床研究均显示99Tcm-ECDG对良恶性病变良好的鉴别能力以及与18F-FDG相当的对恶性肿瘤诊断和分期的能力。

3.299Tcm-DTPADG的研发和生物分布研究 DTPADG 的关键位置上分别有一个羟基、羧基和脂酰基，但目前尚未能阐明99Tcm-DTPADG的确切结构以及在机体内的代谢过程。一项通过氢-3标记的脱氧嘧啶核苷监测细胞DNA合成的体外细胞研究显示，DTPADG组较脱氧葡萄糖、FDG组有较高的脱氧嘧啶核苷的摄取，提示99Tcm-DTPADG参与了肿瘤细胞的增殖，反映了细胞核的活性[18]。另外，一项荷乳腺癌鼠99Tcm-DTPADG和18F-FDG生物分布的研究显示，在注射显像剂后4 h肿瘤摄取99Tcm-DTPADG和18F-FDG分别为(1.59±0.04)%ID/g、(1.42±0.12)%ID/g；99Tcm-DTPADG的T/M、T/Br显著高于18F-FDG，18F-FDG的T/B则显著高于99Tcm-DTPADG；2 h、4 h荷瘤鼠SPECT显像清晰地显示了肿瘤，研究证实了99Tcm-DTPADG肿瘤代谢显像的可行性[19]。随后一项用99Tcm-DTPADG评价肿瘤化疗反应的体外肿瘤细胞摄取和荷瘤鼠显像研究显示，99Tcm-DTPADG在化疗组的摄取低于对照组，且摄取率与化疗剂量呈负相关[20]。一项针对99Tcm-DTPADG荷瘤鼠和松节油诱导的炎症鼠生物分布和显像评估肿瘤靶向性的研究显示，99Tcm-DTPADG在肿瘤组织的聚集显著高于炎性组织[21]。虽然上述99Tcm-DTPADG的生物分布研究结果，尤其对炎症、肿瘤鉴别的阳性结果是令人鼓舞的，但是目前尚未见99Tcm-DTPADG用于临床肿瘤诊断、疗效评估的试验研究，需要进一步在不同动物模型和人体研究。

3.399Tcm-MAG3葡萄糖类衍生物的研发和生物分布研究 MAG3是人们熟知的双功能螯合剂。利用MAG3结构中的羧基可以与包含氨基的化合物结合的特性，Chen等[22]最早合成了MAG3DG并成功制备了99Tcm-MAG3DG，荷MA89乳腺瘤鼠的生物分布研究显示，注射显像剂后4 h有一个中度的肿瘤摄取(0.82% ID/g)和高的T/M(4.35)。de Barros等[23]在随后报道了99Tcm-MAG3GI的制备，荷Ehrlich瘤鼠的生物分布显示，99Tcm-MAG3GI可以快速通过肾摄取排泄，开始的肿瘤摄取是高的(注射后5 min为2.25% ID/g)，随着时间逐渐降低，SPECT显像肿瘤/非肿瘤(T/NT)可达2.0。这些初步的研究提示，99Tcm-MAG3葡萄糖类衍生物有适合于肿瘤代谢显像的特性，值得进一步研究。

3.499Tcm-CN5DG的研发和生物分布研究 Mizuno等[24]发展了以异腈为双功能螯合剂，进行99Tcm标记多价探针的方法。新近，Zhang等[11]借鉴Mizuno等[24]的方法技巧而独创性地合成了CN5DG，并成功地用99Tcm进行了标记，目前该药物中心已有CN5DG冻干药盒供应。Zhang等[11]证实了99Tcm-CN5DG是一种由6个CN5DG配体围绕99Tcm(I)形成的正八面体，99Tcm-CN5DG的体外细胞摄取、荷瘤鼠生物分布和SPECT/CT显像研究显示，99Tcm-CN5DG在S180和A549肿瘤细胞的摄取显著地为D-葡萄糖阻滞，而L-葡萄糖对摄取则无明显影响，胰岛素刺激可显著增加摄取；荷A549瘤鼠的生物分布显示，99Tcm-CN5DG在注射后30、60、120 min有一个快速、高的肿瘤摄取和从正常组织快速的清除；与18F-FDG相比，注射60 min后肿瘤摄取99Tcm-CN5DG低于18F-FDG[(1.59±0.23)% ID/g比(3.28±0.80)% ID/g]；而18F-FDG有更高的肺、肌肉、血的摄取，在注射后1 h，99Tcm-CN5DG的T/B、T/M远好于18F-FDG[(19.83±4.39)、(14.37±6.96)比(8.40±3.89)、(0.32±0.08)]，荷A549瘤鼠的SPECT/CT在30～120 min可以清楚地显示直径3 mm大小的肿瘤。初步的动物模型生物分布研究显示了99Tcm-CN5DG具有优越的肿瘤显像性能，可以取得满意的显像结果，有望成为99Tcm标记葡萄糖类衍生物肿瘤代谢显像研发的突破，但仍需深入研究肿瘤细胞摄取、代谢机制，并进行临床试验研究。

3.599Tcm-TG的研发和生物分布研究 Seidensticker等[25]

制备了β-D-葡萄糖的衍生物99Tcm-1-TG、99Tcm-5-TG，生物分布研究显示，肿瘤细胞对99Tcm-1-TG、99Tcm-5-TG的摄取显著依赖于血葡萄糖和胰岛素水平，而细胞松弛素-B则显著抑制了99Tcm-1-TG、99Tcm-5-TG的摄取，而使用细胞室分析的方法显示，99Tcm-1-TG、99Tcm-5-TG 比18F-FDG在细胞膜上有更高积聚。推测99Tcm-TG复合物包含多个葡萄糖分子，其体积大于18F-FDG，因而堵塞了Gluts通道，导致示踪剂在细胞膜积聚的增加。这种显像剂的摄取机制不同于18F-FDG，需要进行动物模型的进一步研究。

3.6不同复合锝核心标记葡萄糖类衍生物的研发和生物分布研究为了提高锝标记显像剂的生物分布性能，有研究者尝试使用不同的复合锝核心进行显像剂的制备。几项研究分别以99TcmN、99TcmO和99Tcm(CO)3核心耦联DGDTC制备出99TcmN-DGDTC、99TcmO-DGDTC、99Tcm(CO)3-DGDTC，3种衍生物在荷S180瘤鼠的实验研究显示，三者在代谢活跃的肿瘤中均有大量的浓聚；99TcmN-DGDTC肿瘤摄取、T/N值最高，但T/B值最低；99TcmN-DGDTC在注射后0.5、2、4 h肿瘤的摄取分别达到(3.80±0.35)%ID/g、(4.30±0.61)%ID/g和(3.31±0.51)%ID/g，值得注意的是，DGDTC除通过肾排泄外，在肝中也有较多摄取[26-28]。

3.7几种99Tcm标记葡萄糖类衍生物在荷瘤动物的生物分布比较见表1，99Tcm标记葡萄糖类衍生物均具有显著的肿瘤摄取和低的心肌、脑和肌肉摄取，主要的排泌途径是肾脏，大部分衍生物在肝脏也有明显的排泌，部分衍生物在肺、血液具有较高的分布。令人鼓舞的是，新近研发的99Tcm-CN5DG有着高的肿瘤摄取，除通过肾脏排泌在肾脏有高的分布外，在包括血液、肺、肝脏的其他组织有显著低的摄取。

4 小结

近年来，可以实现发生器生产、冻干药盒供应的99Tcm标记葡萄糖类衍生物的研发和临床应用有了明显的进展。99Tcm标记氨基葡萄糖显示出类似于18F-FDG的肿瘤细胞摄取，并参与了细胞核的代谢过程。将来需要更深入地进行临床前和临床研究证实99Tcm标记葡萄类衍生物的显像机制以及在良恶性病变鉴别、肿瘤治疗效果评价中的价值。随着99Tcm标记葡萄糖类衍生物研发和SPECT/CT采集技术的不断发展、显像质量的提高，99Tcm标记葡萄糖类衍生物显像将在肿瘤分子代谢显像中发挥重要的作用。