活體動(dòng)物分子成像技術(shù)的組合運(yùn)用在新藥研究中的應(yīng)用

      目前興起的分子成像技術(shù)在新藥研究領(lǐng)域引起了很多科研工作者的興趣，在新藥研究的各個(gè)環(huán)節(jié)，分子成像技術(shù)越來越顯示了其優(yōu)越性和必不可少性，發(fā)揮越來越重要的作用。分子成像技術(shù)包括活體動(dòng)物可見光成像技術(shù)、小動(dòng)物PET（SPECT）技術(shù)以及小動(dòng)物CT技術(shù)等�；铙w動(dòng)物可見光成像技術(shù)由于儀器操作簡單、價(jià)格相對(duì)便宜，率先普及。隨著分子成像技術(shù)的發(fā)展，小動(dòng)物PET技術(shù)會(huì)逐漸由于其在藥物代謝等方面的優(yōu)勢(shì)，克服放射化學(xué)的技術(shù)門檻和儀器的價(jià)格門檻，也會(huì)逐漸成為藥物研究中不可缺少的技術(shù)。根據(jù)目前的應(yīng)用資料，我們可以斷定活體動(dòng)物可見光成像技術(shù)和小動(dòng)物PET技術(shù)將成為新藥研究中最主要的兩種技術(shù)。那么，這些技術(shù)在新藥研究中是如何應(yīng)用的？各有什么優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，這正是本文要回答的問題。 

    活體動(dòng)物可見光成像技術(shù)可以觀察腫瘤細(xì)胞因給藥后的變化，主要是腫瘤細(xì)胞是否死亡，腫瘤體積是否變小。通過特定的給藥途徑、時(shí)間、劑量，結(jié)合腫瘤細(xì)胞的變化，設(shè)計(jì)最合適的給藥策略。也就是說，圍繞提高藥物的生物利用度、平穩(wěn)的血藥濃度和優(yōu)良的藥物代謝參數(shù)、給藥的靶向性三個(gè)方面去努力，最終達(dá)到以最小劑量的給藥達(dá)到治療效果，以回避可能產(chǎn)生的毒副作用�；铙w動(dòng)物可見光成像技術(shù)所獲得的光子值與腫瘤細(xì)胞的體積呈線性相關(guān)，雖然是屬于功能成像，但對(duì)于觀察腫抗腫瘤藥物的效果來說，實(shí)際上只發(fā)揮了結(jié)構(gòu)成像的功能，只觀察了腫瘤細(xì)胞的多少與體積變化。只要細(xì)胞活著就可以觀察到，而不考慮細(xì)胞的生存狀態(tài)和代謝能力以及活躍程度，腫瘤細(xì)胞在經(jīng)藥物治療后首先表現(xiàn)的代謝變化信息是不能獲得的。而且由于可見光在生物體內(nèi)的漫射特性，活體生物發(fā)光的分辨率很低，在3-5mm左右；活體熒光成像的分辨率在使用400萬像素的CCD時(shí)，也只能達(dá)到2-3mm，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)精確定位的要求。另外，由于可見光在生物體內(nèi)的衰減，導(dǎo)致所得結(jié)果不能絕對(duì)定量，這些客觀實(shí)際都要求其他成像模式的運(yùn)用與發(fā)展。 

    小動(dòng)物PET或SPECT技術(shù)不但能觀察腫瘤的體積變化，更能提早觀察腫瘤細(xì)胞的代謝變化，在腫瘤細(xì)胞活著的時(shí)候，就能觀察葡萄糖、膽堿、氨基酸的代謝是否正常。該技術(shù)屬于真正的功能成像，可以觀察到細(xì)胞死亡之前的代謝變化過程。有科研人員應(yīng)用11C標(biāo)記的膽堿作為示蹤劑觀察人類前列腺癌動(dòng)物模型，發(fā)現(xiàn)在C4-2、PC-3、CWR22rv以及LNCaP四種前列腺癌細(xì)胞中的腫瘤/肌肉比值是不同的，從而得到腫瘤生物過程的代謝信息。此外，該技術(shù)可獲得三維斷層信息，能精確計(jì)算腫瘤的體積，分辨率在1.8mm。最重要的是，該技術(shù)能觀察藥物的ADME，研究藥物的特異性作用靶點(diǎn)，而且可獲得動(dòng)態(tài)信息。小動(dòng)物PET技術(shù)雖然還沒有普及，但是可以預(yù)見，在不遠(yuǎn)的將來，將是新藥研究必不可少的技術(shù)。 

    在您通過小動(dòng)物可見光成像技術(shù)了解腫瘤被藥物作用后的細(xì)胞多少變化之外，是否也關(guān)心藥物是通過環(huán)節(jié)起作用的，藥物是否必需通過特定的生物標(biāo)記物才能其作用？藥物在體內(nèi)的代謝途徑如何？藥物是否到達(dá)腫瘤細(xì)胞？在腫瘤細(xì)胞死亡之前，它的代謝活動(dòng)是否有變化，也就是說腫瘤細(xì)胞的氨基酸代謝、葡萄糖代謝、膽堿代謝是否異常？這一系列的問題都要通過小動(dòng)物PET技術(shù)得以了解。NightOWL ⅡLB 983活體動(dòng)物光學(xué)成像系統(tǒng)配合小動(dòng)物PET成像系統(tǒng)正是解決上述科研問題的完美方案，提供從生物發(fā)光、反射熒光、透射熒光到PET（包括SPECT）成像的全面解決方案，即可以通過腫瘤體積的縮小了解抗腫瘤藥物的作用效果，還可以提前觀察腫瘤細(xì)胞在給藥后的代謝變化，也可以通過正電子核素標(biāo)記的藥物的示蹤了解該藥物作用的靶點(diǎn)是什么（尤其是亞洲人、中國人特異的靶點(diǎn)），也可以了解該藥物在人體內(nèi)的ADME過程。 

    綜上所述，在您選購小動(dòng)物可見光成像系統(tǒng)的時(shí)候，是否把將來的發(fā)展和兼容性作為考慮內(nèi)容之一，這樣您在藥物研究應(yīng)用分子成像技術(shù)的領(lǐng)域?qū)⑹穷I(lǐng)跑者，不用擔(dān)心將來的生物發(fā)光或熒光成像資料如何與PET成像結(jié)果的兼容問題，Berthold公司的儀器設(shè)計(jì)者已經(jīng)為您做了長遠(yuǎn)的考慮。NightOWL ⅡLB 983活體動(dòng)物光學(xué)成像系統(tǒng)與小動(dòng)物PET成像系統(tǒng)兩種不同成像原理的設(shè)備組合，不是其功能的簡單相加，而是在此基礎(chǔ)上通過統(tǒng)一的動(dòng)物床MACU進(jìn)行圖像融合，是指將相同或不同成像方式的圖像經(jīng)過一定的變換處理使它們的空間位置和空間坐標(biāo)達(dá)到匹配，圖像融合處理系統(tǒng)利用各自成像方式的特點(diǎn)對(duì)兩種圖像進(jìn)行空間配準(zhǔn)與結(jié)合，將影像數(shù)據(jù)注冊(cè)后合成為一個(gè)單一的影像。 

    一、 活體動(dòng)物光學(xué)成像技術(shù)在藥效學(xué)研究中的應(yīng)用 
通過熒光素酶基因或GFP/RFP基因標(biāo)記的腫瘤細(xì)胞，在小鼠的皮下接種，造成皮下腫瘤模型，給予特定的藥物后，觀察腫瘤細(xì)胞的生長和變化。通過GFP/RFP基因標(biāo)記的優(yōu)點(diǎn)在于不需要底物熒光素，不需要較長的檢測(cè)時(shí)間，但是不適合進(jìn)行原位接種。用熒光素酶基因標(biāo)記的優(yōu)點(diǎn)在于可進(jìn)行原位接種，但是檢測(cè)的時(shí)間較長，需要底物熒光素。但是在研究抗腫瘤藥物的治療效果時(shí)，通常用皮下模型的較多。 

    1. 熒光成像 
交通大學(xué)腫瘤研究所的科研人員應(yīng)用NightOWL ⅡLB 983活體動(dòng)物光學(xué)成像系統(tǒng)，通過H-460-GFP皮下腫瘤模型，建立小鼠肺癌的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停�可用來進(jìn)行有關(guān)抗癌藥物的篩選。該課題已經(jīng)申請(qǐng)了上海市科委的資助，計(jì)劃建立3-5種腫瘤的活體模型進(jìn)行藥物篩選。 

    2. 生物發(fā)光成像 
抗腫瘤新藥托普替康的抗腫瘤療效觀察。是通過皮下接種的腫瘤模型來觀測(cè)的。目前筆者還沒有發(fā)現(xiàn)通過原位接種來觀察藥物的治療效果的報(bào)道。 

    3. 小動(dòng)物PET可檢測(cè)腫瘤代謝的變化 
應(yīng)用小動(dòng)物PET技術(shù)進(jìn)行腫瘤的代謝顯像，包括葡萄糖、氨基酸、脂質(zhì)、膽堿代謝顯像等，通過此來了解藥物是如何起作用的，以葡萄糖代謝顯像觀測(cè)腫瘤的發(fā)生發(fā)展變化最為常用�？蒲腥藛T通過PET顯像接種CWR22前列腺癌細(xì)胞的小鼠對(duì)FDG的吸收，來研究抗前列腺癌藥物治療效果，發(fā)現(xiàn)在第四天腫瘤體積雖然沒有明顯縮小，但是對(duì)FDG的吸收已經(jīng)下降了43%。這就比活體動(dòng)物可見光成像更早地發(fā)現(xiàn)藥物的治療效果，并能發(fā)現(xiàn)治療機(jī)理。說明腫瘤細(xì)胞在死亡之前首先發(fā)生代謝的異常，而后是死亡。 

    米蘭大學(xué)的科研人員應(yīng)用小動(dòng)物PET成像系統(tǒng)，標(biāo)記葡萄糖、膽堿等，觀察腫瘤細(xì)胞內(nèi)上述物質(zhì)的代謝情況，取得了不錯(cuò)的成果。利用小動(dòng)物PET進(jìn)行腫瘤代謝顯像，目前還是起步階段，有很多未探明的領(lǐng)域。相信隨著該技術(shù)的普及，一定會(huì)有很多新發(fā)現(xiàn)。 

    二、 藥物對(duì)基因表達(dá)的影響 
研究者根據(jù)研究目的，將靶基因用熒光素酶標(biāo)記，同時(shí)轉(zhuǎn)入動(dòng)物體內(nèi)形成所需的疾病模型，包括腫瘤、免疫系統(tǒng)疾病、感染疾病等等，可提供靶基因在體內(nèi)的實(shí)時(shí)表達(dá)和對(duì)候選藥物的準(zhǔn)確反應(yīng)，還可以用來評(píng)估候選藥物和其它化合物的毒性，為藥物在疾病中的作用機(jī)制及效用提供研究方法。上海南方模式動(dòng)物中心的科研人員應(yīng)用NightOWL ⅡLB 983活體動(dòng)物光學(xué)成像系統(tǒng)，用于觀察中藥誘導(dǎo)特定基因表達(dá)或關(guān)閉。用熒光素酶基因標(biāo)記IL-1β 基因 ，形成轉(zhuǎn)基因小鼠，IL-1β 基因與熒光素酶基因平行表達(dá)。通過構(gòu)建這樣的平臺(tái)，來篩選對(duì)炎癥有關(guān)的治療藥物，將是中醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用活體動(dòng)物光學(xué)成像技術(shù)的先驅(qū)，將極大的促進(jìn)中醫(yī)藥研究方法學(xué)的發(fā)展。該課題獲得上海市科委資助，相關(guān)的文獻(xiàn)已經(jīng)快發(fā)表了。 

    三、 藥物的ADME研究 
用熒光染料標(biāo)記藥物可進(jìn)行藥物的體內(nèi)的分布和靶向性研究，但是由于熒光染料標(biāo)記的藥物種類受到限制，不能進(jìn)行動(dòng)態(tài)成像，所以小動(dòng)物PET仍然是藥物的臨床前ADME研究的主要技術(shù)。交通大學(xué)腫瘤研究所的科研人員應(yīng)用Cy5.5標(biāo)記的抗體的體內(nèi)代謝實(shí)驗(yàn)，可見標(biāo)記的抗體在肝、腎等處的分布，這是熒光標(biāo)記的藥物在體內(nèi)靶向性研究應(yīng)用NightOWL ⅡLB 983活體動(dòng)物光學(xué)成像系系統(tǒng)的先例。復(fù)旦藥學(xué)院的科研人員還用量子點(diǎn)標(biāo)記藥物，觀察藥物在腦部的靶向性，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行中。這些實(shí)驗(yàn)拓展了熒光成像的應(yīng)用，檢測(cè)的深度對(duì)于小鼠來說沒有了只在體表的限制，而且所獲得的圖片清晰，沒有背景光的強(qiáng)烈干擾，將極大的方便藥劑學(xué)領(lǐng)域?qū)�活體成像技術(shù)的應(yīng)用。 

    小動(dòng)物PET可以獲得放射性標(biāo)記藥物或者類似藥物詳細(xì)的藥代動(dòng)力學(xué)信息，即藥物的ADME（吸收、分布、代謝、排泄）的信息。也就是說，該技術(shù)可以觀測(cè)藥物是否穿越血腦屏障，是否有器官特異性的聚集，是否識(shí)別靶受體以及血漿與組織中藥物含量比值�？傊�，通過小動(dòng)物PET技術(shù)可以監(jiān)測(cè)藥物作用全過程，提供活體動(dòng)態(tài)信息，并對(duì)比治療前后動(dòng)物疾病模型的狀況，還可以知道可能產(chǎn)生的組織損傷并進(jìn)行人與動(dòng)物的對(duì)比研究。例如：意大利的科研人員用11C標(biāo)記化合物PK11195的類似物VC701，注射入大鼠體內(nèi)后，觀察由于對(duì)PBR受體的識(shí)別而導(dǎo)致的分布規(guī)律，經(jīng)過拮抗劑PK11195的競爭性阻斷后，11C -VC701與受體的結(jié)合明顯降低。小動(dòng)物PET可以顯示藥物是否與特定的分子靶點(diǎn)相結(jié)合。PET顯像能確定藥物在體內(nèi)被轉(zhuǎn)運(yùn)并結(jié)合到靶組織以及在體內(nèi)的藥代動(dòng)力學(xué)，可無創(chuàng)傷性的評(píng)價(jià)藥物對(duì)其他生物學(xué)位點(diǎn)的抑制作用，而且可用于腫瘤病人優(yōu)化治療劑量。