68Ga-galectracer PET檢測(cè)的半乳凝素表達(dá)

近日，北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)同位素研究中心、北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院暨北京市腫瘤防治研究所，核醫(yī)學(xué)科，國(guó)家藥監(jiān)局放射性藥物研究與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，惡性腫瘤發(fā)病機(jī)制及轉(zhuǎn)化研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等團(tuán)隊(duì)的研究成果Galectin expression detected by ⁶⁸Ga‑galectracer PET as a predictive biomarker of radiotherapy resistance（⁶⁸Ga-galectracer PET檢測(cè)的半乳凝素表達(dá)作為放療抵抗的預(yù)測(cè)性生物標(biāo)志物）在學(xué)術(shù)期刊European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging（影響因子10.057）發(fā)表。平生公司的Super Nova^® PET/CT 產(chǎn)品在論文中提供了重要的小鼠腫瘤圖像和定量分析。

 

該研究的通訊作者為劉昭飛教授。第一作者為盧德華、周昊毅、李囡主任醫(yī)師。

文獻(xiàn)信息

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?乏氧是實(shí)體腫瘤的標(biāo)志，與放射治療耐藥有關(guān)。由于半乳糖凝集素-1和半乳糖凝集素-3等成員與腫瘤缺氧有關(guān)，本文旨在研究正電子發(fā)射斷層掃描(PET)對(duì)半乳糖凝集素表達(dá)的成像是否可以有效地定位腫瘤乏氧，并預(yù)測(cè)放療抵抗。

 

實(shí)驗(yàn)方法：作者通過對(duì)硫二半乳糖苷衍生物進(jìn)行放射性標(biāo)記，合成了半乳糖苷靶向放射性示蹤劑，命名為⁶⁸Ga-galectracer。以三種小鼠腫瘤乏氧模型為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究了⁶⁸Ga-galectracer對(duì)腫瘤乏氧PET成像的特性。另外，作者對(duì)2例肺癌患者進(jìn)行了初步的PET/CT檢查，以探討⁶⁸Ga-galectracer在臨床影像學(xué)上的潛在應(yīng)用。

 

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：采用⁶⁸Ga-galectracer對(duì)小鼠急性乏氧腫瘤模型、A549自然乏氧模型和索拉非尼誘導(dǎo)的乏氧4T1腫瘤模型進(jìn)行PET高對(duì)比成像。事實(shí)上，⁶⁸Ga-galectracer對(duì)4T1腫瘤的乏氧檢測(cè)優(yōu)于18F-米索硝唑。此外，通過⁶⁸Ga-galectracer PET檢測(cè)到，與低半乳凝素表達(dá)水平的腫瘤相比，高半乳凝素表達(dá)水平的腫瘤對(duì)后續(xù)放療的反應(yīng)明顯較低。在肺癌患者中，使用⁶⁸Ga-galectracer的PET成像提供了與葡萄糖代謝PET放射性示蹤劑¹⁸F -氟脫氧葡萄糖互補(bǔ)的數(shù)據(jù)。

 

結(jié)論：⁶⁸Ga示蹤劑是一種較有前途的pet示蹤劑，可用于腫瘤乏氧的活體顯像。因此，低氧PET結(jié)合⁶⁸Ga電極可以為前瞻性預(yù)測(cè)放療療效提供一種無創(chuàng)的方法。

 

實(shí)驗(yàn)方法

乏氧腫瘤模型中⁶⁸Ga-galectracer的小動(dòng)物PET成像

使用Super Nova PET/CT掃描儀(平生醫(yī)療科技有限公司)進(jìn)行小動(dòng)物PET成像和數(shù)據(jù)分析。簡(jiǎn)單地說，用夾子將止血帶放置在BALB/c小鼠右后肢4T1腫瘤上2小時(shí)。然后給小鼠靜脈注射3.7 MBq的⁶⁸Ga-galectracer，并在注射0.5和1小時(shí)后獲得10分鐘的靜態(tài)PET掃描。阻斷組小鼠共注射3.7 MBq的⁶⁸Ga-galectracer和過量的冷TDGd (30 mg/ kg體重)。另設(shè)雙4T1小鼠腫瘤模型，分別接種2 × 106 4T1于左、右后肢。當(dāng)腫瘤大小達(dá)到約200 mm3時(shí)，使用上述相同的方案對(duì)右側(cè)腫瘤進(jìn)行急性乏氧。然后給小鼠靜脈注射3.7 MBq的68Ga-galectracer，并在注射0.5 h后獲得PET掃描。PET成像后立即對(duì)小鼠實(shí)施安樂死，收集小鼠左腿(對(duì)照組)和右腿(急性乏氧)的腫瘤。然后進(jìn)行Western blotting測(cè)定HIF-1α、Gal-1和Gal-3的表達(dá)。

 

此外，4T1荷瘤小鼠每天口服對(duì)照或索拉非尼(60 mg/kg/day, 1:1丙二醇/水)，連續(xù)5天。然后給小鼠靜脈注射3.7 MBq的⁶⁸Ga-galectracer，并在注射后0.5、1和2小時(shí)進(jìn)行10分鐘靜態(tài)PET掃描。阻斷組小鼠共注射3.7 MBq的⁶⁸Ga-galectracer，同時(shí)過量注射冷TDGd (30 mg/kg體重)或冷TDG (30 mg/kg體重)。重建PET圖像，并計(jì)算感興趣區(qū)每克組織注射劑量百分比(%ID/g)。

 

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

小動(dòng)物⁶⁸Ga-galectracer PET檢測(cè)體內(nèi)腫瘤乏氧

鑒于TDGd與半乳糖苷結(jié)合的作用及其改善腫瘤缺氧的作用，作者分別研究了⁶⁸Ga-galectracer PET在急性乏氧模型、A549自然乏氧模型和索拉非尼治療乏氧模型下對(duì)腫瘤乏氧成像的可行性。與腫瘤生長(zhǎng)所需氧相比，血管供氧不足是腫瘤乏氧的原因。作者首先在急性缺氧模型中驗(yàn)證了⁶⁸Ga-galectracer的PET成像，該模型是由腫瘤周圍血管短暫閉塞引起的。⁶⁸Ga-galectracer注射0.5 h后在急性缺氧腫瘤中的攝取明顯高于對(duì)照組(P < 0.01;圖3 a, b)。低溫TDGd阻斷實(shí)驗(yàn)顯示，急性缺氧腫瘤對(duì)68Ga-galectracer的攝取顯著降低(P < 0.01;圖3a,b)，顯示⁶⁸Ga-galectracer在缺氧腫瘤中的特異性靶向作用。

 

為了驗(yàn)證缺氧狀態(tài)，研究急性缺氧4T1腫瘤模型中g(shù)alectin的表達(dá)，作者在BALB/c小鼠身上建立了兩種4T1腫瘤的急性缺氧腫瘤模型。其中一個(gè)腫瘤受到急性缺氧，短暫的血管閉塞，而另一個(gè)沒有治療。在急性缺氧腫瘤中觀察到68Ga-galectracer的攝取明顯高于對(duì)照腫瘤(圖3c)。PET掃描后立即對(duì)小鼠實(shí)施安樂死，定量檢測(cè)腫瘤組織中HIF-1α、Gal-1和Gal-3的表達(dá)。與對(duì)照組相比，急性缺氧腫瘤中HIF-1α表達(dá)明顯增加(圖3d)，提示急性缺氧模型建立成功。與對(duì)照組相比，缺氧腫瘤中Gal-1和Gal-3表達(dá)均上調(diào)，從而證實(shí)了缺氧時(shí)Gal-1和Gal-3表達(dá)增加。值得注意的是，4T1腫瘤組織的western blotting無法區(qū)分腫瘤細(xì)胞內(nèi)表達(dá)的半乳糖凝集素和分泌到腫瘤微環(huán)境中的半乳糖凝集素。

圖3 ⁶⁸Ga-galectracer在急性缺氧腫瘤模型中的小動(dòng)物PET成像。(a) ⁶⁸Ga-galectracer在BALB/c小鼠體內(nèi)注射0.5 h(含或不含過量TDGd用于阻斷)或1 h后的代表性冠狀PET圖像，BALB/c小鼠攜帶4T1腫瘤，帶或不帶止血帶誘導(dǎo)的缺氧。(b)在BALB/c小鼠缺氧4T1腫瘤0.5小時(shí)(有或沒有阻斷)定量⁶⁸Ga-galectracer在BALB/c小鼠缺氧4T1腫瘤0.5小時(shí)(0.5小時(shí)對(duì)照)。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，n = 4-5。**， Tukey’s事后檢驗(yàn)的單因素方差分析P < 0.01。(c) 68Ga-galectracer在BALB/c小鼠中注射0.5 h后具有代表性的冠狀PET圖像(左:常氧4T1腫瘤;右:4T1腫瘤伴止血帶引起的急性缺氧)。(d) PET掃描后立即對(duì)對(duì)照4T1腫瘤或雙腫瘤小鼠(c組)急性缺氧腫瘤中Gal-1、Gal-3和HIF-1α豐度的Western blotting檢測(cè)。PET圖像中未治療的腫瘤用白色箭頭表示，急性缺氧的腫瘤用紅色箭頭表示。

 

索拉非尼是一種被批準(zhǔn)用于轉(zhuǎn)移性腎細(xì)胞癌和晚期肝細(xì)胞癌的抗血管生成藥物。然而，長(zhǎng)期暴露于索拉非尼會(huì)由于抑制腫瘤血管而導(dǎo)致缺氧。在作者之前的研究中，證實(shí)索拉非尼在4T1腫瘤模型中治療可以誘導(dǎo)腫瘤缺氧，HIF-1α和Gal-1表達(dá)增加。因此，作者進(jìn)一步評(píng)估了⁶⁸Ga-galectracer PET是否也能敏感地檢測(cè)索拉非尼治療的腫瘤模型中的缺氧。為此，用索拉非尼治療小鼠由于這種腫瘤模型中固有的索拉非尼耐藥性，4T1腫瘤未觀察到生長(zhǎng)抑制。在未接受索拉非尼治療的對(duì)照腫瘤中，⁶⁸Ga-galectracer的腫瘤攝取相對(duì)較低。而在注射索拉非尼1 h后的4T1缺氧腫瘤中，⁶⁸Ga-galectracer的腫瘤攝取和腫瘤-肌肉比顯著升高(P < 0.05;圖4 a, b;圖S5)。在索拉非尼治療的腫瘤模型中，⁶⁸Gagalectracer在注射后0.5 h和1 h的腫瘤攝取量較高，在注射后2 h的腫瘤攝取量降低。
 

使用冷TDGd或半乳糖凝集素識(shí)別TDG的阻斷研究證實(shí)了⁶⁸ga -半乳糖凝集素在缺氧腫瘤中的特異性(圖4a,b)。為了進(jìn)一步研究⁶⁸Ga-galectracer在腫瘤缺氧無創(chuàng)成像中的作用，作者采用缺氧激活的TH-302治療缺氧腫瘤，TH-302是一種可以在體內(nèi)減少腫瘤缺氧的前藥。接受索拉非尼治療的4T1腫瘤小鼠在接受基線⁶⁸Ga-galectracer PET成像后，隨機(jī)接受PBS或TH-302治療如圖4c,d所示，PBS處理后⁶⁸Ga-galectracer的腫瘤攝取相對(duì)沒有變化(P = 0.189)。而TH-302治療低氧腫瘤后⁶⁸Ga-galectracer的腫瘤攝取明顯降低(P < 0.05;圖4 d)。體外腫瘤組織分析顯示，索拉非尼治療的腫瘤中HIF-1α表達(dá)上調(diào);此外，TH-302處理顯著逆轉(zhuǎn)索拉非尼誘導(dǎo)的HIF-1α上調(diào)(圖4e)。

圖4 ⁶⁸Ga-galectracer在索拉非尼缺氧腫瘤模型中的小動(dòng)物PET顯像。(a) ⁶⁸Ga-galectracer在索拉非尼處理小鼠0.5 h、1 h(使用或不使用過量TDGd或TDG進(jìn)行阻斷)和注射后2 h，以及注射后1 h未使用索拉非尼處理的對(duì)照小鼠中的代表性PET圖像。(b)各組⁶⁸Ga-galectracer腫瘤攝取定量(n = 3-5)。(c)使用TH-302或?qū)φ?對(duì)照)治療前使用索拉非尼的4T1荷瘤小鼠的基線和治療后的小動(dòng)物PET圖像。白色箭頭表示腫瘤。(d) ⁶⁸Ga-galectracer在治療前后的腫瘤攝取定量(n = 4-5)。(e)小鼠4T1腫瘤組織中HIF-1α的Western blotting檢測(cè)。(f) ⁶⁸Ga-galectracer在經(jīng)TH-302處理的索拉非尼處理4T1荷瘤小鼠或PBS對(duì)照組(n = 4-6 /組)和對(duì)照(載體預(yù)處理)4T1荷瘤小鼠中的生物分布。所有數(shù)值數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。*， p < 0.05;**， P < 0.01通過單向方差分析后的Tukey檢驗(yàn)(b, f)，和雙尾配對(duì)的Student t檢驗(yàn)(d)

 

⁶⁸Ga-galectracer示蹤劑在缺氧腫瘤中表現(xiàn)出優(yōu)于18F-FMISO的成像對(duì)比度

鑒于⁶⁸Ga-galectracer在無創(chuàng)檢測(cè)腫瘤缺氧方面的作用，作者進(jìn)一步將⁶⁸Ga-galectracer與¹⁸F-FMISO進(jìn)行了比較，¹⁸F-FMISO是臨床PET顯像缺氧時(shí)使用最廣泛的放射性示蹤劑。由于放射示蹤劑體內(nèi)藥代動(dòng)力學(xué)的差異可能導(dǎo)致在注射后不同時(shí)間的最佳成像對(duì)比度不同，作者比較了⁶⁸Gagalectracer和¹⁸F-FMISO在注射后對(duì)應(yīng)的腫瘤成像對(duì)比度最高的時(shí)間點(diǎn)的PET成像對(duì)比度。¹⁸F-FMISO的生物分布研究顯示，其腫瘤攝取在0.5到2小時(shí)之間保持在相似的水平(圖S6)。但考慮到¹⁸F-FMISO在正常器官中的表達(dá)隨時(shí)間的推移而降低，作者認(rèn)為注射后2 h為¹⁸F-FMISO成像對(duì)比度最佳的時(shí)間點(diǎn)。鑒于⁶⁸Ga-galectracer在注射0.5小時(shí)后腫瘤/肌肉比例最高(圖S5)，作者將同樣的4T1荷瘤小鼠在注射¹⁸F-FMISO后1小時(shí)和2小時(shí)與注射⁶⁸Ga-galectracer后0.5小時(shí)的PET成像并排進(jìn)行比較。在5個(gè)索拉非尼誘導(dǎo)的缺氧腫瘤中，¹⁸F-FMISO在注射后1到2小時(shí)內(nèi)的腫瘤攝取略有增加(圖5a)。同樣的小鼠在第二天接受⁶⁸Ga-galectracer PET成像。2 h后¹⁸F-FMISO可檢測(cè)低氧腫瘤，影像學(xué)對(duì)比良好;然而，由于¹⁸F-FMISO的親脂性，在小鼠的腹部也觀察到大量的積累。在注射后1小時(shí)和2小時(shí)，⁶⁸Ga-galectracer的腫瘤攝取與¹⁸F-FMISO相當(dāng)(圖5b,c)。然而，在注射后1 h和2 h, ⁶⁸Gagalectracer的腫瘤造影劑(腫瘤背景比)均顯著高于¹⁸F-FMISO(圖5b,c)。與傳統(tǒng)的缺氧成像放射性示蹤劑¹⁸F-FMISO相比，更高的成像對(duì)比度和下腹部PET信號(hào)表明⁶⁸ga示蹤劑具有更有利的潛力。盡管⁶⁸Ga-galectracer和¹⁸F-FMISO都可以檢測(cè)缺氧腫瘤，但由于成像缺氧的不同機(jī)制，它們?cè)谀[瘤組織內(nèi)的攝取區(qū)域不同(圖5a)

圖5比較¹⁸F-FMISO和⁶⁸Ga-galectracer的PET成像，以及⁶⁸Ga-galectracer PET成像來預(yù)測(cè)腫瘤對(duì)rt的反應(yīng)。(a)在相同的5只使用sorafenib預(yù)處理的4T1小鼠(M#1 - M#5)中，¹⁸F-FMISO在注射后1和2小時(shí)以及⁶⁸Ga-galectracer在注射后0.5小時(shí)的小動(dòng)物PET圖像。(b, c) 18F-FMISO定量的腫瘤攝取和計(jì)算的腫瘤背景比(b，注射后1 h;c，注射后2 h)和⁶⁸Ga-galectracer。(d) ⁶⁸Ga-galectracer PET成像和RT的時(shí)間軸。(e)索拉非尼處理的4T1荷瘤小鼠在注射0.5 h后⁶⁸Ga-galectracer腫瘤攝取量高和低(截點(diǎn)為2.5%ID/g)的代表性PET圖像。(f, g)對(duì)照組或RT組中⁶⁸Ga-galectracer腫瘤攝取量高或低的4T1荷瘤小鼠個(gè)體(f)和平均(g)腫瘤體積。

白色箭頭表示所有腫瘤。面板g數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。*， p < 0.05;**，P < 0.01通過雙尾配對(duì)Student t檢驗(yàn)(b,c)和雙向方差分析(g)，

 

文獻(xiàn)結(jié)論

作者成功地合成了一種PET示蹤劑，命名為⁶⁸Ga-galecer，在體內(nèi)靶向galectin。⁶⁸Ga-galectracer能夠?qū)δ[瘤乏氧進(jìn)行無創(chuàng)檢測(cè)，并有助于早期預(yù)測(cè)腫瘤RT的反應(yīng)。⁶⁸Ga-galectracer易于合成，成本低，初步臨床PET成像證明了其成功。⁶⁸Ga-galectracer的進(jìn)一步優(yōu)化將能夠高度敏感地識(shí)別含有顯著缺氧水平的腫瘤患者，然后將這些患者轉(zhuǎn)換到替代治療方案或添加額外的藥物，如抑制細(xì)胞對(duì)乏氧反應(yīng)的藥物，以克服缺氧細(xì)胞誘導(dǎo)的RT耐藥性。此外，使用⁶⁸Ga電極的PET還可用于放療治療計(jì)劃和腫瘤放療劑量的優(yōu)化。注意表達(dá)式Gal-1或Gal-3也與纖維化、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、心血管疾病和其他疾病有關(guān);因此，⁶⁸Ga電極也可以擴(kuò)展到PET以外的腫瘤成像。

 

使用設(shè)備

Super Nova^® Micro PET/CT（III 代外觀圖）