18F-FDG PET/CT和新型分子成像在指导肿瘤免疫治疗中的作用

王栋梁，许晓平，宋少莉

1. 复旦大学附属肿瘤医院核医学科，复旦大学上海医学院肿瘤学系，上海 200032；

2. 复旦大学生物医学影像研究中心，上海 200032；

3. 上海分子影像探针工程技术研究中心，上海 200032；

4. 复旦大学核物理与离子束应用教育部重点实验室，上海 200433

免疫治疗已成为晚期肿瘤治疗的选择之一，可以通过重定向、刺激或重编程患者自身的免疫系统来杀伤癌细胞［1］。免疫检查点抑制剂（immune checkpoint inhibitor，ICI），如程序性死亡受体1（programmed death 1，PD-1）、程序性死亡受体配体1（programmed death ligand 1，PD-L1）和细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4（cytotoxic T lymphocyte-associated antigen-4，CTLA-4）的阻断抗体，为癌症患者带来了新的希望［2］。然而，只有部分患者可以从ICI治疗中受益，有些患者甚至可能发生严重的免疫相关不良事件（immune-related adverse event，irAE）［3］。新的临床前和临床证据［4］表明，ICI与肿瘤微环境（tumor micro-environment，TME）之间的互惠性可能对ICI治疗产生复杂且重要的影响，但具体机制尚不清楚。如何无创有效地表征TME，并精确指导ICI的使用，是目前全球范围内的研究热点。分子成像可以通过传递动态免疫微环境的实时信息来提供非侵入性解决方案。18F-FDG是最常用的正电子发射体层成像（positron emission tomography，PET）/计算机体层成像（computed tomography，CT）显像剂，越来越多地应用于免疫治疗管理［5］，它可以通过单次扫描跟踪葡萄糖摄取来反映原发性肿瘤组织和转移性病变中的葡萄糖蓄积水平，从中获得的代谢参数是肿瘤负荷的有用指征。免疫检查点、免疫细胞及效应分子是参与TME免疫响应的重要因素，本述评还讨论了针对TME成分的新型分子成像在监测免疫响应中的应用。

1 癌症免疫治疗的当前临床应用和影像学需求

ICI已成为临床上最具突破性的治疗方法之一［6］。目前，伊匹单抗（ipilimumab，抗CTLA-4）、纳武单抗（nivolumab）和派姆单抗（pembrolizumab，抗PD-1）相继被欧洲药品管理局（European Medicines Agency，EMA）和美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准用于临床［6-7］。然而，ICI治疗最大的挑战之一是筛选潜在获益人群，需要大量生物标志物为指导个体治疗提供信息。虽然活检能显示肿瘤间、肿瘤内和时间异质性，但是采样质量取决于方法、解剖结构和操作人员的技术水平，并且多次和连续活检面临实际困难［8］，因此需要更好的监测手段。FDG PET/CT评估肿瘤能量代谢活性可为制订ICI治疗计划提供支持。直接针对PD-L1、PD-1、CTLA-4等免疫检查点，免疫细胞和免疫效应分子的新兴放射性药物，为理解ICI治疗过程中肿瘤内部TME动态变化提供了可能。展望未来，分子成像也可以为药物开发和临床试验设计提供信息，筛选患者和指导治疗。

2 18F-FDG PET/CT在免疫治疗中的应用

瓦尔堡效应是肿瘤标志之一，肿瘤细胞糖代谢重编程，以高葡萄糖摄取、糖酵解为特征［9］。18F-FDG PET/CT的工作原理以瓦尔堡效应为基础，其中葡萄糖类似物18F-FDG，通过葡萄糖转运蛋白进入癌细胞，被磷酸化，但不通过糖酵解代谢，这导致肿瘤细胞内积累18F-FDG，18F核素产生一对方向相反的伽马光子，由PET扫描仪检测定位，最终形成肿瘤影像［10］。研究［11］报道，糖酵解在免疫细胞功能中起着重要作用，葡萄糖转运蛋白在活化的T细胞中上调，从而促进细胞生长及分化。上述机制为18F-FDG PET/CT对免疫治疗后反应监测、毒性评估和预后预测提供可能。

2.1 18F-FDG PET/CT在免疫治疗反应中的作用

在循证医学时代，使用医疗指南和标准至关重要，其为医疗专业人员提供明确的建议，从而提高患者护理的质量和一致性。近年来，多种解剖学和代谢标准已被制定用于记录癌症患者对全身或靶向治疗的反应［12］。然而，由于ICI独特的作用机制，ICI治疗可能导致新的反应模式出现，例如假进展、超进展、分离反应和延迟反应［13］，因此需要制定新的标准。

2.1.1 假进展

假进展指免疫治疗后肿瘤的体积增大或有代谢活动的病变总数增加，随后在影像学评估中出现肿瘤进展［14］。Park等［15］的研究中包括3 402例接受ICI治疗的患者，并纳入17项研究进行meta分析，结果显示假进展发生率为6%。一些免疫相关的PET标准在定义肿瘤进展时强调新病变的数量或5个目标病变的瘦体重标准摄取值峰值（peak standard uptake value of lean body weight，SULpeak）之和至少为30%［16］。实体瘤免疫治疗 PET评价标准（immune PET response criteria in solid tumor，iPERCIST）是考虑到假进展而制定的，未经证实的进展性代谢疾病需要在4～8周再一次行18F-FDG PET/CT确认［17］。应当注意的是，所有描述的纳入研究的患者只接受ICI治疗，因此，该标准可能不适用于与化疗或靶向药物治疗的联合治疗。

2.1.2 超进展

超进展是指在接受抗PD-1或抗PD-L1治疗的患者中，肿瘤负荷迅速增加，临床结局更差［14］。18F-FDG PET/CT在监测超进展方面起重要作用。在一项针对黑色素瘤患者的研究［18］中，超进展患者的基线肿瘤代谢体积（metabolic tumor volume，MTV）的增大差异有统计学意义，7个月与60个月的中位总生存期较差。超进展仍然是一个有争议的问题，但对于影像学进展的患者，早期识别能及时改变治疗策略，使患者获得更优治疗。

2.1.3 分离反应和延迟反应

分离反应是指某些肿瘤部位的消退与其他预先存在或新部位的伴随进展的混合。一项对50例接受抗PD-1治疗的非小细胞肺癌（non-small cell lung carcinoma，NSCLC）患者的研究［19］显示，采用18F-FDG PET/CT监测的患者中，10%的患者有混合反应，所有患者均在6个月后继续抗PD-1治疗并保持临床获益。延迟反应指对免疫治疗的长期反应，即使在ICI治疗被中断或停止后也是如此，这被认为是肿瘤特异性免疫反应，并且可能发生在多达15%的患者中［20］。这种反应模式常见于因免疫相关不良事件（immune-related adverse event，irAE）而停止ICI治疗的患者，因为抗肿瘤反应通常得以保留。

实体瘤临床疗效评价标准（response evaluation criteria in solid tumor，RECIST）1.1版是在细胞毒性化疗和放疗时代定义的，因此不是为免疫治疗而设计的［21］。2017年，实体瘤免疫疗效评价标准（immune response evaluation criteria in solid tumor，iRECIST）被提出，该标准针对ICI治疗过程中出现非常规反应模式的评价方式较为科学，同时明确了非靶病灶、新病灶的价值。然而iRECIST更侧重对假进展、延迟反应的评价，可能忽略超进展现象［22］。因此后续又修订提出了改良的实体瘤免疫疗效评价标准（immune-modified response evaluation criteria in solid tumor，imRECIST），与既往标准不同的是，该标准更多地使用影像学手段判断观察指标、临床疗效的改变［23］。然而基于上述传统影像学技术的RECIST存在评价盲区，无法及时判断超进展患者，具有一定的局限性。众所周知，绝大多数肿瘤处于高代谢的状态，仅用常规形态影像学作为评价依据较片面，2009年基于PET/CT的实体瘤PET疗效评价标准（PET response criteria in solid tumor，PERCIST）被提出，该标准首次引入标准摄取值（standard uptake value，SUV）和病灶区域SUV峰值（SUVpeak）的概念［24］。针对免疫治疗的非常规反应，Berz等［24］提出了免疫治疗PET评价标准（PET response evaluation criteria for immunotherapy，PERCIMT）。此后，随着iRECIST的出现，iPERCIST被提出，该标准以PERCIST标准为基础，将代谢相关进展定义为不确定代谢进展［25］。目前，对于大多数实体瘤，如黑色素瘤、肺癌等推荐应用iPERCIST评估免疫疗效。值得注意的是，这些标准均未在大型队列中得到验证，需要通过前瞻性临床试验进一步证实。

2.2 18F-FDG PET/CT 预测免疫治疗预后

葡萄糖代谢在T细胞活化和功能中起关键作用，与葡萄糖转运蛋白1和PD-L1表达密切相关［26］。因此，FDG PET/CT具有超越单纯评估肿瘤代谢的潜在作用，也有助于定义TME。一项针对55例早期NSCLC患者的研究［27］表明，FDG摄取（SUVmax和SUVmean）与细胞毒性CD8+肿瘤浸润T淋巴细胞，以及无病生存率有强相关性。对27例接受ICI的晚期NSCLC患者的分析［28］显示，SUVmax（≤17.1）和SUVmean（≤8.3）与早期（8周）间期反应评估的进展相关，但特异度较低（分别为38.9%和33.3%）。与此相反，有研究［29］显示，在ICI治疗的背景下，基线SUVmax与预后之间没有独立的相关性。对恶性黑色素瘤FDG PET/CT代谢参数的meta分析［30］也发现，SUVmax及SULmax与患者预后无相关性。目前，更新颖和更全面的FDG PET指标，如MTV及总病变糖酵解（total lesion glycolysis，TLG）已被用来预测ICI治疗后的结局［30］。一项meta分析［30］汇总了MTV和TLG的风险比，显示FDG PET在预测黑色素瘤免疫治疗的反应中具有显著的预后价值。虽然结果令人振奋，但仍存在缺乏标准化的测量方法、分割自动化及如何定义高低肿瘤负荷等问题。

3 新型分子成像在免疫治疗中的指导作用

新型放射性药物可提供一种非侵入性方法来确定有关免疫微环境的实时信息。基于靶向分子的放射性药物，可以提供有关其靶标在体内表达以及药物递送和分布的信息。纵向成像可以描述TME的变化，并有助于更好地预测肿瘤对免疫治疗的反应。标记免疫细胞或细胞外成分能揭示ICI治疗后TME的变化，进而筛选潜在的获益人群。

3.1 免疫检查点成像

PD-L1是一种有效的预测和预后生物标志物［31］。在NSCLC中，PD-L1的表达有助于指导治疗，表达低于1%的肿瘤不太可能对抗PD-1或抗PD-L1药物产生反应，表达1%～49%的肿瘤在抗PD-1或抗PD-L1药物联合细胞毒化疗时更有可能产生反应，而表达超过50%的肿瘤对于单纯的抗PD-1或抗PD-L1治疗就可能会产生反应［32］。然而，目前的PD-L1免疫组织化学检测并不完善，高达10%的“无表达者”对治疗有反应，但临床上难以实施多次和连续的活组织检查来精准诊断［8］。无创分子成像可能提供一种解决方案，目前已经有几种靶向PD-1或PD-L1放射性药物用于临床试验，所用的PD-1成像剂包括89Zr-pembrolizumab、64Cupembrolizumab及89Zr-nivolumab。研究［33］表明，89Zr-nivolumab在PD-1阳性晚期NSCLC患者中表现出显著的肿瘤摄取率。PD-L1放射性药物（89Zr-atezolizumab和68Ga-BMS-986192）的肿瘤摄取在评估ICI的临床反应方面优于基于免疫组织化学或RNA测序的预测生物标志物［34-35］。除PD-1和PD-L1外，针对CTLA-4、吲哚胺2,3-双加氧酶1（Indoleamine 2,3-dioxygenase 1，IDO1）、淋巴细胞活化基因3（lymphocyte activation gene-3，LAG-3）等其他免疫检查点的放射性药物正在进行临床试验［36-37］。

3.2 免疫细胞和TME成像

免疫细胞的浸润和活化是肿瘤免疫反应的重要环节，介导ICI反应。因此，了解肿瘤部位免疫细胞的浸润，能更好地评估免疫治疗反应。在一项涉及32例实体瘤患者的研究［39］中，CD8+特异性放射性药物89ZED88082A的摄取与CD8+T细胞浸润相关，强免疫应答者具有较高的SUV值。过继性细胞疗法［如嵌合抗原受体（chimeric antigen receptor，CAR）-T细胞和CAR自然杀伤（natural killer，NK）细胞］的核心概念是在淋巴细胞中插入CAR，从而在体内识别肿瘤［40］。CAR-T细胞疗法是一种新的免疫治疗方法，其临床疗效已被证明，特别是针对难治性CD19+B细胞恶性肿瘤，但尚未应用于实体肿瘤［41］。由于CAR-T细胞具有显著的毒性，无创成像可揭示CAR-T细胞生物学和体内生物分布，从而监测非靶组织的损伤［42］。另外，在前列腺癌小鼠模型中，使用99mTc 单光子发射计算机体层成像（single-photon emission computed tomography，SPECT）/CT对CAR-T细胞进行时空跟踪，证明了非免疫原性报告基因（如人钠碘同向转运体）的实用性［43］。NK细胞杀伤不表达主要组织相容性复合体Ⅰ类（major histocompatibility complexⅠ，MHC Ⅰ）分子的细胞，从而破坏逃避T细胞效应的肿瘤细胞。CAR-T细胞治疗可能会产生细胞因子释放综合征等严重不良反应，危及患者生命。研究［44］表明，CAR-NK细胞可能会克服CAR-T细胞的缺陷，在肿瘤免疫治疗中展现出广阔的前景。基于此，已有针对NK细胞表面神经细胞黏附分子（neural cell adhesion molecule，NCAM）进行成像的99mTc标记抗体［45］，然而，NCAM在肿瘤细胞、T细胞、树突状细胞中也表达，并无特异性，降低了示踪剂的特异性，报告基因修饰后成像或许是一个好的解决方法。此外，其他免疫细胞也相继被成像，如成功地用89Zr-oxine标记树突状细胞，且不影响细胞活力或功能［46］。肿瘤相关巨噬细胞是组织内的免疫细胞，促进肿瘤逃逸，在免疫治疗耐药中发挥关键作用，是免疫疗法的重要靶点［47］。在人乳腺癌细胞系小鼠移植瘤模型中，111In标记的抗f4/80能够通过小动物SPECT/CT在肿瘤中定位巨噬细胞［48］。

虽然免疫细胞具有给药前可用成像探针标记、报告基因修饰等优点，但由于TME的免疫抑制作用，免疫细胞的活性受到了抑制，针对免疫细胞浸润的显像在监测细胞活性、治疗反应方面仍存在挑战。因此，与量化浸润的免疫细胞相比，量化效应分子的表达可能为精准监测免疫响应提供独特的途径。

白细胞介素（interleukin，IL）-2是活化CD8+T细胞所产生的细胞因子，在一项黑色素瘤研究［49］中，18F-fluorobenzoyl标记的IL-2为区分肿瘤进展和假进展提供了一种新的监测方法。此外，针对IL-2的SPECT探针123I-IL-2出于相同的目的已被研发出来，用于T细胞活化的可视化。颗粒酶B是一种由细胞毒性T淋巴细胞和NK细胞分泌的丝氨酸蛋白酶，诱导肿瘤细胞凋亡，由于这是免疫细胞介导细胞死亡的主要机制，因此监测颗粒酶B的分泌能对免疫治疗响应提供良好的指示。Larimer等［50］开发设计了一个靶向颗粒酶B的探针68Ga-NOTA-GZP，体外实验结果显示，与其他颗粒酶家族相比，示踪剂对颗粒酶B有较高的特异性，并能反映免疫响应。此外，另一项研究［51］表明，68Ga-GZP的摄取可预测抗PD-1和抗CTLA-4联合治疗的反应。γ干扰素（interferon-γ，IFN-γ）是CD4+T细胞、CD8+T细胞和NK细胞分泌的细胞因子，通过不同途径对肿瘤细胞进行识别破坏［52］。Gibson等［53］开发了一种抗89Zr-anti-IFN-γ PET探针，监测免疫治疗后IFN-γ水平升高，作为免疫激活的标志物。由此看来，靶向效应分子的示踪剂在精准评估免疫响应方面有着巨大的优势，可以为临床医师提供有关免疫治疗反应更全面的信息。

4 总结与展望

免疫疗法已经改变了许多癌症的治疗格局，然而抗肿瘤免疫反应的复杂性及TME中肿瘤、免疫和细胞外基质成分之间的相互作用对原发性和获得性耐药都提出了挑战。目前的预测性生物标志物，包括用免疫组织化学方法测量的PD-L1，尚不完善。18F-FDG PET/CT分子成像可通过揭示肿瘤和TME糖代谢状况来补充标准形态成像。尽管缺乏肿瘤特异性，但18F-FDG PET/CT在反应评估中仍具有潜在作用，也有证据［30］表明，18F-FDG PET/CT具有在免疫治疗前和治疗中通过半定量测量（MTV、TLG）预测反应的作用，但这些证据尚待进一步研究和验证。新型放射性示踪剂的出现为评估肿瘤和免疫TME提供了一个机会，以更好地预测哪些患者对治疗有反应，特别是在免疫治疗耐药的情况下，有助于指导个性化的治疗。尽管存在一定的局限性，分子成像很可能只会补充而不是取代现有的生物标志物，但其无疑将为放射组学和人工智能融合发展带来新的机遇。