近日，北京大學醫(yī)學部基礎醫(yī)學院醫(yī)學同位素研究中心、北京大學腫瘤醫(yī)院暨北京市腫瘤防治研究所，核醫(yī)學科，國家藥監(jiān)局放射性藥物研究與評價重點實驗室，惡性腫瘤發(fā)病機制及轉化研究教育部重點實驗室等團隊的研究成果Galectin expression detected by ⁶⁸Ga‑galectracer PET as a predictive biomarker of radiotherapy resistance（⁶⁸Ga-galectracer PET檢測的半乳凝素表達作為放療抵抗的預測性生物標志物）在學術期刊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。

文獻信息

實驗目的:乏氧是實體腫瘤的標志，與放射治療耐藥有關。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，本文旨在研究正電子發(fā)射斷層掃描(PET)對半乳糖凝集素表達的成像是否可以有效地定位腫瘤乏氧，并預測放療抵抗。

 

實驗方法：作者通過對硫二半乳糖苷衍生物進行放射性標記，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驗對象，研究了⁶⁸Ga-galectracer對腫瘤乏氧PET成像的特性。另外，作者對2例肺癌患者進行了初步的PET/CT檢查，以探討⁶⁸Ga-galectracer在臨床影像學上的潛在應用。

 

實驗結果：采用⁶⁸Ga-galectracer對小鼠急性乏氧腫瘤模型、A549自然乏氧模型和索拉非尼誘導的乏氧4T1腫瘤模型進行PET高對比成像。事實上，⁶⁸Ga-galectracer對4T1腫瘤的乏氧檢測優(yōu)于18F-米索硝唑。此外，通過⁶⁸Ga-galectracer PET檢測到，與低半乳凝素表達水平的腫瘤相比，高半乳凝素表達水平的腫瘤對后續(xù)放療的反應明顯較低。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 -氟脫氧葡萄糖互補的數(shù)據(jù)。

 

結論：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結合⁶⁸Ga電極可以為前瞻性預測放療療效提供一種無創(chuàng)的方法。

 

實驗方法

乏氧腫瘤模型中⁶⁸Ga-galectracer的小動物PET成像

使用Super Nova PET/CT掃描儀(平生醫(yī)療科技有限公司)進行小動物PET成像和數(shù)據(jù)分析。簡單地說，用夾子將止血帶放置在BALB/c小鼠右后肢4T1腫瘤上2小時。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)。另設雙4T1小鼠腫瘤模型，分別接種2 × 106 4T1于左、右后肢。當腫瘤大小達到約200 mm3時，使用上述相同的方案對右側腫瘤進行急性乏氧。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成像后立即對小鼠實施安樂死，收集小鼠左腿(對照組)和右腿(急性乏氧)的腫瘤。然后進行Western blotting測定HIF-1α、Gal-1和Gal-3的表達。

 

此外，4T1荷瘤小鼠每天口服對照或索拉非尼(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小時進行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，并計算感興趣區(qū)每克組織注射劑量百分比(%ID/g)。

 

實驗結果

小動物⁶⁸Ga-galectracer PET檢測體內腫瘤乏氧

鑒于TDGd與半乳糖苷結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腫瘤乏氧成像的可行性。與腫瘤生長所需氧相比，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照組(P < 0.01;圖3 a, b)。低溫TDGd阻斷實驗顯示，急性缺氧腫瘤對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。

 

為了驗證缺氧狀態(tài)，研究急性缺氧4T1腫瘤模型中galectin的表達，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。其中一個腫瘤受到急性缺氧，短暫的血管閉塞，而另一個沒有治療。在急性缺氧腫瘤中觀察到68Ga-galectracer的攝取明顯高于對照腫瘤(圖3c)。PET掃描后立即對小鼠實施安樂死，定量檢測腫瘤組織中HIF-1α、Gal-1和Gal-3的表達。與對照組相比，急性缺氧腫瘤中HIF-1α表達明顯增加(圖3d)，提示急性缺氧模型建立成功。與對照組相比，缺氧腫瘤中Gal-1和Gal-3表達均上調，從而證實了缺氧時Gal-1和Gal-3表達增加。值得注意的是，4T1腫瘤組織的western blotting無法區(qū)分腫瘤細胞內表達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物PET成像。(a) ⁶⁸Ga-galectracer在BALB/c小鼠體內注射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的缺氧。(b)在BALB/c小鼠缺氧4T1腫瘤0.5小時(有或沒有阻斷)定量⁶⁸Ga-galectracer在BALB/c小鼠缺氧4T1腫瘤0.5小時(0.5小時對照)。數(shù)據(jù)以平均值±標準差表示，n = 4-5。**， Tukey’s事后檢驗的單因素方差分析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掃描后立即對對照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。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用于轉移性腎細胞癌和晚期肝細胞癌的抗血管生成藥物。然而，長期暴露于索拉非尼會由于抑制腫瘤血管而導致缺氧。在作者之前的研究中，證實索拉非尼在4T1腫瘤模型中治療可以誘導腫瘤缺氧，HIF-1α和Gal-1表達增加。因此，作者進一步評估了⁶⁸Ga-galectracer PET是否也能敏感地檢測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腫瘤未觀察到生長抑制。在未接受索拉非尼治療的對照腫瘤中，⁶⁸Ga-galectracer的腫瘤攝取相對較低。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或半乳糖凝集素識別TDG的阻斷研究證實了⁶⁸ga -半乳糖凝集素在缺氧腫瘤中的特異性(圖4a,b)。為了進一步研究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表達上調;此外，TH-302處理顯著逆轉索拉非尼誘導的HIF-1α上調(圖4e)。

圖4 ⁶⁸Ga-galectracer在索拉非尼缺氧腫瘤模型中的小動物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或對照(對照)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。(f) ⁶⁸Ga-galectracer在經TH-302處理的索拉非尼處理4T1荷瘤小鼠或PBS對照組(n = 4-6 /組)和對照(載體預處理)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±標準差表示。*， p < 0.05;**， P < 0.01通過單向方差分析后的Tukey檢驗(b, f)，和雙尾配對的Student t檢驗(d)

 

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

鑒于⁶⁸Ga-galectracer在無創(chuàng)檢測腫瘤缺氧方面的作用，作者進一步將⁶⁸Ga-galectracer與¹⁸F-FMISO進行了比較，¹⁸F-FMISO是臨床PET顯像缺氧時使用最廣泛的放射性示蹤劑。由于放射示蹤劑體內藥代動力學的差異可能導致在注射后不同時間的最佳成像對比度不同，作者比較了⁶⁸Gagalectracer和¹⁸F-FMISO在注射后對應的腫瘤成像對比度最高的時間點的PET成像對比度。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隨時間的推移而降低，作者認為注射后2 h為¹⁸F-FMISO成像對比度最佳的時間點。鑒于⁶⁸Ga-galectracer在注射0.5小時后腫瘤/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小時和2小時與注射⁶⁸Ga-galectracer后0.5小時的PET成像并排進行比較。在5個索拉非尼誘導的缺氧腫瘤中，¹⁸F-FMISO在注射后1到2小時內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可檢測低氧腫瘤，影像學對比良好;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小時和2小時，⁶⁸Ga-galectracer的腫瘤攝取與¹⁸F-FMISO相當(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，更高的成像對比度和下腹部PET信號表明⁶⁸ga示蹤劑具有更有利的潛力。盡管⁶⁸Ga-galectracer和¹⁸F-FMISO都可以檢測缺氧腫瘤，但由于成像缺氧的不同機制，它們在腫瘤組織內的攝取區(qū)域不同(圖5a)

圖5比較¹⁸F-FMISO和⁶⁸Ga-galectracer的PET成像，以及⁶⁸Ga-galectracer PET成像來預測腫瘤對rt的反應。(a)在相同的5只使用sorafenib預處理的4T1小鼠(M#1 - M#5)中，¹⁸F-FMISO在注射后1和2小時以及⁶⁸Ga-galectracer在注射后0.5小時的小動物PET圖像。(b, c) 18F-FMISO定量的腫瘤攝取和計算的腫瘤背景比(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(截點為2.5%ID/g)的代表性PET圖像。(f, g)對照組或RT組中⁶⁸Ga-galectracer腫瘤攝取量高或低的4T1荷瘤小鼠個體(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±標準差表示。*， p < 0.05;**，P < 0.01通過雙尾配對Student t檢驗(b,c)和雙向方差分析(g)，

 

文獻結論

作者成功地合成了一種PET示蹤劑，命名為⁶⁸Ga-galecer，在體內靶向galectin。⁶⁸Ga-galectracer能夠對腫瘤乏氧進行無創(chuàng)檢測，并有助于早期預測腫瘤RT的反應。⁶⁸Ga-galectracer易于合成，成本低，初步臨床PET成像證明了其成功。⁶⁸Ga-galectracer的進一步優(yōu)化將能夠高度敏感地識別含有顯著缺氧水平的腫瘤患者，然后將這些患者轉換到替代治療方案或添加額外的藥物，如抑制細胞對乏氧反應的藥物，以克服缺氧細胞誘導的RT耐藥性。此外，使用⁶⁸Ga電極的PET還可用于放療治療計劃和腫瘤放療劑量的優(yōu)化。注意表達式Gal-1或Gal-3也與纖維化、類風濕關節(jié)炎、心血管疾病和其他疾病有關;因此，⁶⁸Ga電極也可以擴展到PET以外的腫瘤成像。

 

使用設備

Super Nova^® Micro PET/CT（III 代外觀圖）