人肝细胞癌HepG2细胞荷瘤裸鼠18F-乙基胆碱、11C-胆碱、18F-FDG 生物分布和PET肿瘤显像

王新刚，孙晶晶，桂 一，杨桂芬，朱 虹

0 引 言

肝是人体重要器官，肝细胞癌(hepatocellular carcinoma, HCC)是肝最常见的肿瘤，死亡率高，大约80%的HCC与慢性肝炎及继发肝硬化有关[1]。在肝硬化患者，常规的成像技术如增强CT、MRI诊断HCC的敏感度为80%～88%，尚需进一步提高[2]。随着精准医疗的出现，对肿瘤进行分子成像有很大价值，而PET能检测肿瘤早期就存在的代谢异常，能显示与病情预后和治疗敏感性相关的分子过程[3]。但临床常规使用的18F-脱氧葡萄糖 (fluorine-18-fluorodeoxyglucose,18F-FDG)并非特异性肿瘤显像剂，在PET显像中会出现假阳性、假阴性情况。恶性肿瘤除了糖代谢增高，胆碱代谢水平也增加，因此可以通过示踪胆碱代谢来检测HCC。本研究探讨18F-乙基胆碱、11C-胆碱、18F-FDG在人肝癌HepG2细胞株荷瘤裸鼠的生物学分布及诊断HCC的可行性。

1 材料与方法

1.1 实验动物BALB/c裸鼠饲养条件为无特异性病原体(Specific Pahtogen Free，SPF)无菌饲养室。将人肝细胞癌HepG2细胞株(购自中科院细胞库)接种于BALB/c裸鼠(购自上海斯莱克实验动物有限公司，许可证号： SCXK(沪)2017-0005，待瘤体体积>100 mm3用于实验。实验显像前荷瘤裸鼠禁食给水8 h以上。

1.2 显像剂18F-乙基胆碱、11C-胆碱、18F-FDG的制备采用医用回旋加速器(HM-7型，日本住友重机械株式会社)、氟多功能标记模块(PET-MF-2V-IT-Ⅰ，北京派特生物技术有限公司)、碳多功能化学合成专用合成模块(CFN-MPS100，日本住友重机械株式会社)、FDG专用合成模块(PET-FDG-IT-Ⅱ，北京派特生物技术有限公司)合成18F-乙基胆碱(18F-fluoroethylcholine,18F-FECh)、11C-胆碱(11C-choline,11C-Cho)、18F-FDG，放射化学纯度均大于>95%。

1.3实验方法人肝癌HepG2荷瘤裸鼠共3只，采用自身对照显像方法，同一只荷瘤裸鼠分别进行18F-FECh、11C-胆碱、18F-FDG 3次显像，相邻显像间隔1 d。首先将荷瘤裸鼠麻醉(麻醉剂为1%～2%的异氟烷)后放置于扫描床，用医用胶带固定，并建立尾静脉注射通道，注射放射性药物剂量约0.5 mCi，注射完毕后，开始动态扫描采集数据。

1.4 microPET动态显像采集模式为Emission，能窗范围均为350～650 Kev，设置采集程序参数：选择放射性核素18F或11C，设置18F-FECh、18F-FDG显像采集时长为60 min，因11C的半衰期较短(仅20 min)，设置11C-胆碱显像时长为30 min；设置重建方法为3D 有序子集最大期望(Ordered Subsets Expectation Maximization, OSEM)算法和基于Bayesian的最大后验(Maximum A Posterior, MAP)算法，然后进行定位并将裸鼠移动至FOV中心，尾静脉推药、同时点击启动键开始扫描，仪器自动记录数据。

1.5图像重建、数据提取及数据分析对microPET数据进行重组，18F-FECh和18F-FDG显像分别形成5、10、20、30、45、60 min时间点的序列数据，11C-胆碱显像形成5、10、20、30 min时间点的序列数据，然后进行图像重建。图像重建方法为3D OSEM和MAP、迭代2次、子集数18。在脑、心(腔)、肝、肺、肾(皮质)、肌肉(下肢近端)、肿瘤等器官组织勾画感兴趣区(ROI)，提取ROI放射性计数，计算每克组织百分摄取率(%ID/g)：

%ID/g=感兴趣区放射性摄取(μCi/g)/总注射量(μCi)×100%

所有数据提取遵循相同的ROI定位勾画，每个器官选取3个器官显像较好层面进行ROI勾画、提取放射性计数，并求均值。以肝摄取代表人肝癌HepG2肿瘤组织生长背景、肌肉摄取代表躯体组织本底，计算18F-FECh、11C-胆碱、18F-FDG microPET显像肿瘤/肝比值(瘤/肝比)、肿瘤/肌肉比值(瘤/肌比)。

2 结 果

2.1 荷瘤裸鼠18F-FECh、11C-胆碱、18F-FDG microPET显像测定活体生物分布18F-FECh在肝摄取最高，肾早期排出较快、20 min后排出缓慢，而其他组织摄取均较低，其中肿瘤摄取略高于其他组织且随时间延长缓慢增加，60 min内肿瘤摄取值为3.06～4.12% ID/g，见图1。11C-胆碱在肾分布最高、此后持续下降，肝次之，心脏有一定摄取；而其他组织摄取均较低，其中肿瘤摄取略高于肌肉组织、与肺组织摄取相近，30 min内肿瘤摄取值为0.38%～0.43% ID/g，见图2。18F-FDG在肾、心脏、肝、脑摄取高，这与临床PET/CT显像所见相似，18F-FDG在肿瘤有高摄取，高于肌肉、肺和肝组织，60 min内肿瘤摄取值为7.46%～6.16% ID/g。

2.2 荷瘤裸鼠18F-FECh、11C-胆碱、18F-FDG microPET肿瘤显像组内不同时间点18F-FECh、11C-胆碱瘤/肝比和瘤/肌比平稳，各个时间点之间差异无统计学意义(P>0.05)，而18F-FDG比值随时间延长而增高，10、20、30 min瘤/肝比依次显著增加。组间比较显示不同时间点18F-FDG瘤/肝比明显高于18F-FECh、11C-胆碱(P<0.01)，18F-FECh、11C-胆碱之间差异无统计学意义(P>0.05)。20、30 min18F-FDG和18F-FECh瘤/肌比均高于11C-胆碱(P<0.05)，30、45、60 min18F-FDG瘤/肌比高于18F-FECh(P<0.05)，见表1、表2。

图 1 不同时间点荷瘤鼠18F-FECh组织摄取

图 2 不同时间点荷瘤鼠11C-胆碱组织摄取

表 1 荷瘤鼠18F-FECh、11C-胆碱、18F-FDG microPET显像瘤/肝比

表 2 荷瘤鼠18F-FECh、11C-胆碱、18F-FDG microPET显像瘤/肌比

3 讨 论

PET在肿瘤的诊断、分期、疗效评价和肿瘤复发检测中起了重要作用[4-5]，但18F-FDG PET显像对HCC的诊断敏感性仅为40%～60%，主要是因为不同于中、低分化HCC葡萄糖-6-磷酸酶含量较低、己糖激酶含量较高出现18F-FDG高浓聚而易被检测，高分化HCC葡萄糖-6-磷酸酶含量较高(与正常肝组织相似)，葡萄糖-6-磷酸酶可将 6-磷酸-FDG去磷酸化，使18F-FDG通过细胞膜从肿瘤细胞清除而无法形成18F-FDG浓聚，出现假阴性结果，难以检出高分化HCC。因此孤立性肝病变18F-FDG PET/CT显像阴性时不能排外HCC，限制了18F-FDG PET在肝癌病灶诊断中的价值[6]。希望借助于其他的生物学分布良好的显像剂来弥补18F-FDG PET/CT对高分化HCC检出的低敏感性。磷脂酰胆碱(即卵磷脂)是细胞膜的重要成分，也参与细胞的分子识别和信息传递。细胞在分裂、增殖过程中需要大量胆碱作为前体经过CDP胆碱途径合成磷脂酰胆碱，恶性肿瘤细胞增殖增多，对磷脂的需求增多，CDP途径上调，对胆碱的摄取增多[6-7]，因此本文探讨核素标记胆碱类显像剂18F-FECh、11C-胆碱在荷肝癌裸鼠活体生物学分布以及在HCC显像诊断的价值。

本研究结果表明胆碱生物分布与18F-FDG有差异，脑组织和心脏的胆碱摄取较低。18F-FECh与11C-胆碱活体生物分布相似，肾和肝是胆碱代谢、排泄的主要器官，对胆碱摄取程度高。早期(20 min之内)18F-FECh经肾排泄较快，20 min之后大多数含显像剂的尿液到达膀胱而肾显像剂分布较稳定，而11C-胆碱放射性活度持续降低，这可能是早期11C-胆碱经尿液排泄，以及在后期(20 min后)11C-胆碱转变为11C-三甲铵乙内酯进一步随尿液排泄清除有关，这结果与Roivainen等[7]的研究一致，发现注射11C-胆碱5 min之后，动脉血浆之中大多数11C是以11C-三甲铵乙内酯的形式存在，而18F-氟代胆碱没有相似的氧化代谢途径，20 min之后肾显像剂清除变慢[7-8]。除了肾、肝，其他正常组织显像剂摄取程度较低，这与DeGrado等[9]在前列腺癌荷瘤鼠中的研究发现一致，提示18F-FECh与11C-胆碱在非靶组织的摄取低，生物学分布良好。

60 min之内18F-FDG的瘤/肝比和瘤/肌比随时间延长而增高，10、20、30 min18F-FDG瘤/肝比依次显著增高，且组间比较显示60 min内不同时间点18F-FDG瘤/肝比、20～60 min时间点18F-FDG瘤/肌比明显高于18F-FECh和11C-胆碱，提示了其在肿瘤显像中敏感性高，能清晰地显示腋下肿瘤。

不同时间点18F-FECh、11C-胆碱瘤/肝比和瘤/肌比平稳，同样的Kolthammer等[10]在HCC土拨鼠模型的18F-FECh和11C-胆碱50 min动态扫描研究中，发现注射后10 min肿瘤/本底比达到平台期，说明了18F-FECh、11C-胆碱PET显像能稳定地显示肿瘤，可用于HCC识别。而且Kwee等[11]进行了18F-氟代胆碱PET/CT显像检测HCC胆碱代谢与其脂质组成的影像-病理相关性研究，发现大多数HCC肿瘤含有高度饱和磷脂酰胆碱，18F-氟代胆碱显像能识别这些肿瘤，对HCC的诊断敏感性达到84%，因此核素标记胆碱类显像剂能对CDP途径起始阶段的胆碱代谢进行分子显像，从而诊断HCC。

同为胆碱类显像剂，可能是因为FECh与胆碱不是同一个分子，在代谢过程中，胆碱转运体对两者的转运效率、细胞酶如胆碱激酶和胆碱磷酸胞苷酰基转移酶等对两者的绑定亲和力存在差异[8]，5、10、20、30 min18F-FECh瘤/肝比与11C-胆碱无显著差异，但在20、30 min18F-FECh瘤/肌比显著高于11C-胆碱，提示了肿瘤中18F-FECh的摄取更多，更容易观察肿瘤，加上11C-胆碱的半衰期短难以在临床广泛应用而18F的半衰期较长，因此我们可以选用18F-FECh替代11C-胆碱进行肿瘤显像，提高诊断灵敏度。在Aujay 等[12]的临床研究中，9例HCC患者治疗前所有癌灶18F-胆碱摄取明显增高，清晰地显示肿瘤，最大标准摄取值(maximum standard uptake value，SUVmax)为7.3～25.9，并能预测经导管动脉放疗栓塞术 (Transarterial radioembolization, TARE) 治疗的疗效。Wallace 等[13]的研究中，接受局部治疗的29例早期HCC患者(共39个HCC病变)行18F-氟胆碱PET/CT显像，与SUVmax>13患者相比，基线时间病变SUVmax<13患者中位无进展生存期更长；与基线和治疗后SUVmax下降小于45%患者相比，SUVmax下降>45%患者平均无进展生存期更长(36.1个月vs11.6个月，P=0.034)。本文及相关临床研究提示了18F-胆碱显像在HCC诊断、疗效评价、预后预测中的潜在价值。

因此，我们可选用18F-FECh替代11C-胆碱作为18F-FDG的补充，形成18F-FDG和18F-FECh双探针PET/CT显像模式，提高肝细胞癌和转移灶的检出和诊断准确性，并可进一步分析肿瘤不同分化程度、不同病理类型在双探针模式下的不同表型，更好地探讨个体肿瘤的生物学特征，以利于更好地进行疗效评价、预后预测。