實體瘤中的瘤內(nèi)瘤腫瘤乏氧原理及乏氧顯像的研究進(jìn)展簡述

實體瘤中的瘤內(nèi)瘤腫瘤乏氧原理及乏氧顯像的研究進(jìn)展簡述

根據(jù)實驗觀察和臨床研究，雙氧化細(xì)胞增多已成為實體瘤的常見現(xiàn)象。目前有數(shù)種檢測乏氧的方法,放射性核素顯像是其中之一。利用放射性核素標(biāo)記的乏氧組織顯影劑進(jìn)行SPECT(Singlephotonemissioncomputedtomography單光子發(fā)射式計算機(jī)斷層顯像)、PET(Positionemissiontomography正電子發(fā)射型計算機(jī)斷層顯像)或PET/CT(TheadditionofCTtoPET)顯像能在活體水平上整體、無創(chuàng)性地評價腫瘤的乏氧程度,在多種腫瘤診斷、分期、療效監(jiān)測及預(yù)后評估等方面的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注,為臨床選擇及調(diào)整合理的腫瘤治療方案提供客觀依據(jù),因此有著良好的臨床應(yīng)用前景。現(xiàn)就對腫瘤乏氧原理及顯像研究進(jìn)展情況簡要作一綜述。1細(xì)胞氧供不足腫瘤的特點之一是無限制地生長。國外有人作了氧擴(kuò)散距離-乏氧細(xì)胞模型。他們觀察到腫瘤細(xì)胞是以血管為中心呈環(huán)狀排列,在靠近血管的那些細(xì)胞由于氧和營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)充分,細(xì)胞增殖迅速;在離血管半徑超過200μm區(qū),細(xì)胞大量壞死成壞死區(qū);介于這兩者之間有一層厚度為10μm~20μm的細(xì)胞層。由于距血管有一定距離,使氧擴(kuò)散的速率逐漸減慢,氧張力下降,導(dǎo)致這部分細(xì)胞氧供不足,即為乏氧細(xì)胞。當(dāng)腫瘤細(xì)胞生長的速度超過了其血管生長的速度,血流減少,供氧的能力隨之減弱,局部腫瘤組織的氧分壓降低,就形成了乏氧區(qū)域,該情況在血管痙攣和受到組織之間持續(xù)增加的壓力壓迫時尤為嚴(yán)重,進(jìn)而影響了乏氧誘導(dǎo)生長因子(HGF21a、HGF22a)血管源因子(VEGF)和細(xì)胞分裂周期蛋白的表達(dá),從而影響腫瘤的表達(dá),導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞對放療及化療的抗拒,從而大大的降低射線和某些化療藥物對腫瘤細(xì)胞的殺傷力,不能達(dá)到理想的治療效果。腫瘤細(xì)胞在乏氧環(huán)境中會產(chǎn)生一系列生理、生化改變,在乏氧狀態(tài)下,腫瘤細(xì)胞是通過自身的一些內(nèi)源性基因表達(dá)的變化來適應(yīng)其賴于生長的微環(huán)境,以往的研究表明,大多數(shù)實體瘤中存在著乏氧細(xì)胞,乏氧細(xì)胞的形成機(jī)制分為兩種:(1)慢性乏氧:即遠(yuǎn)離血管的腫瘤細(xì)胞因超過了氧的有效彌散距離(100μm-150μm)而處于乏氧狀態(tài),這種由于超過了功能性血管有效供氧范圍而引起的乏氧稱為慢性乏氧。(2)急性乏氧:由于腫瘤血管網(wǎng)結(jié)構(gòu)和功能異?；蚰[瘤組織間液壓升高是血管內(nèi)血流暫時減少或阻滯,也會導(dǎo)致血管周圍細(xì)胞缺氧。這種有血管原因所致的短暫血流中斷、血管周圍細(xì)胞乏氧稱為急性乏氧。在實體瘤方面,腫瘤乏氧程度越高,其惡性程度也越高。2缺陷氧檢測方法目前為止,檢測乏氧的方法有多種,各有其優(yōu)點和不足之處。理想的檢測方法應(yīng)具備簡單、易行、實時、無創(chuàng)和可靠等特點。3缺損程度檢測乏氧顯像劑是一類陽性顯像劑,它能選擇性的滯留在乏氧組織或細(xì)胞中,并通過核醫(yī)學(xué)顯像探測組織器官的缺氧與否及程度。理想的乏氧組織顯像劑應(yīng)具有高滲透性和低氧化還原電位,前者便于它達(dá)到細(xì)胞內(nèi)線粒體,后者利于它在正常細(xì)胞穩(wěn)定而在乏氧細(xì)胞被異常高濃度的電子還原,由此乏氧顯像劑可分為硝基咪唑類和非硝基咪唑類乏氧組織顯像劑。3.1顯像劑的研究(azomycin)能迅速抗厭氧感染,硝基咪唑在乏氧環(huán)境下的這種特性,可用于腫瘤乏氧組織放射增敏劑和體內(nèi)乏氧組織現(xiàn)象的研究,由此開展了對乏氧顯像劑的研究。3.1.1圖像方面的應(yīng)用Ⅰ.MISO衍生物有3H、14C、82Br、18F、123I、125I等標(biāo)記MISO(misonidazole)及其衍生物。其中18F-MISO是較早用于臨床的鹵素標(biāo)記的硝基咪唑類化合物,這與MISO具有合適的氧化還原電位有關(guān)。在腫瘤顯像方面,1991年KohWJ研究了18F-MISO在頭頸部腫瘤中的吸收情況,并提出用腫瘤/血漿滯留比(TPRR)來判斷乏氧部位,之后有人常使用腫瘤/肌肉滯留比(TMRR)代替TPRR確定鼻咽癌乏氧組織,獲得滿意效果。由此18F-MISO已被用作多種腫瘤乏氧顯像的研究,如晚期頭頸腫瘤、肺癌、前列腺癌、鼻咽癌和宮頸癌等所得到的研究數(shù)據(jù)都證實了該技術(shù)有一定可行性。18F-FETMIN(氟赤硝基咪唑)即是近年來的研究熱點之一。在對乳腺腫瘤荷瘤鼠研究中發(fā)現(xiàn),注射4小時后,18F-FETNIM的腫瘤/血漿比和腫瘤/肌肉比均高于18F-FMISO,生物分布顯示其周圍組織代謝率,脫氟率和乏氧組織代謝率均適用于PET乏氧顯像,在非靶組織中清除迅速,通過腎排泄,很有應(yīng)用前景。Ⅱ.IAZA類似物糖基-硝基咪唑類化合物中,124I-IAZA在腫瘤中攝取多,血液清除快,腫瘤/血液比值高,但124I-IAZA的缺點是在人同種或異種腫瘤中的吸收不穩(wěn)定,隨病人人體差異變化大;體內(nèi)易脫碘。另一類18F-FAZA作為一種新型硝基咪唑類乏氧顯像劑,Sorger等通過對Walker256小鼠細(xì)胞實驗研究顯示:注射后短時間內(nèi),18FAZA和18FMISO攝取接近;較長時間后,18FAZA在腫瘤的攝取較18FMISO低,注射后3h,18FAZA和18FMISO的SUV值分別為3.0±0.5,4.6±1.8(P<0.05),但同時18FAZA能很快的通過腎臟從血液、內(nèi)臟和肌肉組織中消除,有望成為良好的腫瘤乏氧顯像劑。Piert通過動物PET顯像比較了18FAZA和18FMISO在不同腫瘤模型的分布,發(fā)現(xiàn)由于18FAZA在正常組織清除率比18FMISO高,PET圖像上腫瘤/肌肉比和腫瘤/血液比均高于18FMISO。3.1.2化合物的合成目前,99mTc標(biāo)記乏氧組織顯像劑是國際上核化學(xué)研究的重要內(nèi)容,主要是99mTc一硝基咪唑類化合物,分別采用BATO,PnAO及SchiffBase類化合物為雙功能聯(lián)接劑。3.2非硝基咪唑梭散氧組織成像劑3.2.1體外毒副反應(yīng)動物實驗基礎(chǔ)與臨床應(yīng)用表明,99mTcHL91的顯像能力明顯優(yōu)于硝基咪唑類化合物,卻不具細(xì)胞毒性,是一種非常有開發(fā)前景的新型乏氧組織顯像劑。99mTc-HL91在由18F-FDGPET確定的人惡性腫瘤部位中的絕大部分都有攝取。99mTc-HL91在缺血、乏氧心肌中攝取多,乏氧與正常組織計數(shù)比值高。3.2.2在活性成分和腫瘤組織中的應(yīng)用Cu本身是一種乏氧細(xì)胞增敏劑,有很多放射性同位素,62Cu或64Cu標(biāo)記的Cu(Ⅱ)-pyruvaldehyde-bis(N4-methylthiosemicarbazone,CuPTSM)是一種已知的灌注顯像劑,一般認(rèn)為它不具有乏氧選擇性,但也有研究偶然發(fā)現(xiàn),Cu-PTSM在暫時性腦缺血小鼠的腦組織重吸收增加,而且在兔缺氧心肌中的清除比正常組織慢。在16種64Cu-PTSM的修飾物中,64Cu-ATSM[64Cu-diacetyl-bis(N4-methylthiosemicarbazone)]這種正電子發(fā)射化合物已被證明具有快速吸收和選擇性保留在缺氧細(xì)胞,并已用于人和動物腫瘤的現(xiàn)象研究。Takahashi等報道62Cu-ATSM、64Cu-ATSM在BALB/c小鼠EMT6乳腺癌的乏氧組織中均有特異性攝取。62Cu-ATSM在腫瘤組織內(nèi)濃集速度快,血漿清除迅速。而近年研究的熱點64CuATSM,表現(xiàn)出較高的腫瘤吸收率,且在肝臟腫大量積聚,其標(biāo)記的圖像質(zhì)量優(yōu)于Cu標(biāo)記的其它顯像劑,是一種較有前景的選擇性乏氧顯像劑。4氧顯示在腫瘤中的應(yīng)用4.1在腫瘤組織和t/nt顯像方面的應(yīng)用腫瘤細(xì)胞暴露于急慢性缺氧環(huán)境中可對腫瘤的放射治療效果產(chǎn)生重要的影響,乏氧現(xiàn)象的存在導(dǎo)致放療中對電離輻射(X線或γ線)的耐受。Fowler等的計算,直徑為75mm的腫瘤,如果全部是有氧細(xì)胞,殺死90%所需的照射劑量為43Gy,如果全部乏氧細(xì)胞,則需要120Gy,證實了腫瘤內(nèi)的乏氧細(xì)胞與放射治療的效果密切相關(guān)。1995年Yang等合成了18F-FETNIM,它比FMISO具有更強的親水性,荷乳腺癌小鼠體內(nèi)分布實驗研究表明,注射后4h18F-FETNIM的腫瘤/血液比明顯高于18F-FMISO。在對肺腺癌小鼠模型做18F-FMISO的生物分布和PET現(xiàn)象研究時發(fā)現(xiàn),18F-FMISO在腫瘤組織有較高的放射性攝取;腫瘤對血、脾、肌肉的T/NT值均大于2;PET顯像見腫瘤部位呈顯著性放射性熱區(qū),顯像清晰,與井型探測儀一致。說明18F-FMISO可以應(yīng)用于惡性腫瘤的PET顯像,能夠清楚地區(qū)分腫瘤組織和其他正常組織。趙偉等用18F-FETNIM對SPCA-1人肺腺癌荷瘤BALB/c裸鼠實驗研究中表明,18F-FETNIM在腎中代謝最高,在脂肪和骨骼中代謝較低,T/NT的放射性比值較高,且隨時間而增高,T/B放射性比值為1.69±0.37,T/M放射性比值1.57±0.47,說明18F-FETNIM在荷瘤裸鼠體內(nèi)具有較低的外周代謝,脂溶性較低,能被腫瘤乏氧組織攝取,可用于腫瘤乏氧診斷。胡旭東等研究顯示,注射顯像劑1h時顯像,照射后T/NT(腫瘤/非腫瘤)明顯高于照射前,考慮為照射后初始腫瘤的乏氧分?jǐn)?shù)升高所致;照射前,顯像劑在腫瘤部位的濃集隨時間增加而上升,而在照射后,4h時T/NT低于1h和2h,考慮與腫瘤出現(xiàn)再氧合有關(guān)。這些結(jié)果皆與理論相符,因此認(rèn)為99mTc-HL91乏氧顯像可以監(jiān)測腫瘤放療后乏氧狀態(tài)的動態(tài)變化。對于對放射線中等度敏感的食管腫瘤(尤其是鱗狀上皮癌),經(jīng)放射治療后,腫瘤較前縮小,腫瘤內(nèi)部及周邊微循環(huán)改善,乏氧細(xì)胞減少,從而乏氧程度得到改善。李玲等觀察SPCA-1人肺腺癌細(xì)胞及裸鼠移植瘤模型接受不同劑量X線照射后對99mTc-HL91的攝取變化得出:無論是乏氧細(xì)胞還是有氧細(xì)胞在照射后對99mTc-HL91攝取均增加,且與單次照射劑量大小無顯著相關(guān)性。開始時其對顯像劑的吸收可能高于未照射組,隨時間推移乏氧細(xì)胞會發(fā)生再氧合,導(dǎo)致腫瘤攝取率降低。這些研究結(jié)果初步證實了通過乏氧顯像可檢測腫瘤乏氧在放射中的變化情況。4.2缺陷氧成像的臨床應(yīng)用圖像上的乏氧程度可以通過(1)SUV(2)腫瘤/血漿比和腫瘤/肌肉比(3)乏氧體積比(FHV)等指標(biāo)來顯示。4.2.1腫瘤細(xì)胞-l2918F-FETNIM可以用來鑒別良惡性組織,腫瘤乏氧程度越高,其惡性程度也越高,對放射治療或抗癌藥物敏感性越低,易產(chǎn)生藥物耐受。LehtioK等于2001年報道了18F-FETNIM在頭頸部腫瘤患者中的PET顯像,結(jié)果顯示:18F-FETNIM在頭部和頸部癌癥的吸收最初為血流控制,之后,特別是在注射后60min~90min,即為乏氧滯留機(jī)制;注射后180min最大的腫瘤與肌肉吸收比為1~4,優(yōu)于18F-FMISO。這表明,利用18F-FETNIM在最初血流相過后腫瘤的分布體積估計乏氧滯留是有效可行的。在對鼻咽癌(NPC)的乏氧檢測研究中,鄭穎潔等對38例NPC患者行99mTc-HL91SPECT顯像,其中乏氧顯像陽性32例(84.21%);陽性病例中T+/N為1.54±0.44,T-/N為1.08±0.19,兩者存在顯著性差異(P<0.001);腫瘤體積與T+/N呈正相關(guān)(r=0.788,P<0.001)。蔣寧一等試驗結(jié)果顯示4小時99mTc-HL91顯像病灶較1小時顯像更清楚,T/N比值也更高。其中1例食管癌患者,1小時平面現(xiàn)象未見異常,但4小時平面顯像可發(fā)現(xiàn)食管癌及縱隔淋巴結(jié)病灶,這可能與1小時縱隔內(nèi)軟組織血本底被清除有關(guān),因而4小時可顯示腫瘤病灶,這些實驗顯示乏氧顯像劑為早期準(zhǔn)確檢測食管腫瘤較好的陽性顯像劑。但如在今后臨床研究中,使用一些血管擴(kuò)張藥如肼苯噠嗪、L-硝基-精氨酸等來提高腫瘤細(xì)胞的乏氧程度,擴(kuò)大腫瘤乏氧組織與正常組織攝取99mTc-HL91的差別,將增大腫瘤/正常組織比值,從而提高99mTc-HL91顯像診斷效能。因此對乏氧顯像檢測腫瘤的乏氧區(qū)域,在放療影響及確定生物靶區(qū)有一定的臨床應(yīng)用價值。4.2.2現(xiàn)象2:存在于陰血壓ph和表1e1993年Hockel等發(fā)表了第1篇關(guān)于乏氧可能是預(yù)測腫瘤患者預(yù)后指標(biāo)的文章。Nordsmark等報道了35例行放射治療的進(jìn)展期頭頸部鱗癌氧分壓與患者預(yù)后關(guān)系,結(jié)果顯示,影響放射治療療效的最強因素是PO2<215mmHg的乏氧(p=0.1018),治療前氧合好的腫瘤局部控制率高達(dá)90%,而乏氧組僅為45%,p=0.104。乏氧亦可引起遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移而導(dǎo)致治療失敗。Pitson等對128例宮頸癌患者的研究發(fā)現(xiàn),乏氧腫瘤患者有更高的淋巴轉(zhuǎn)移和遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移率,證明乏氧是一個與轉(zhuǎn)移有關(guān)的預(yù)后因子。MinnH等的研究也說明硝基咪唑類乏氧顯像劑18F-FMISO和18F-FETNIM在預(yù)測腫瘤治療敏感性及調(diào)整治療方案等方面有著獨特的優(yōu)勢和應(yīng)用前景。Eschmann等證實,可以用FMISOPET顯像來預(yù)測頭頸癌和非小細(xì)胞肺癌患者放療療效,注射后4h的高SUV、高腫瘤/肌肉比(T/Mu)、高腫瘤/縱隔(T/Me)比及時間-活性曲線呈累積型預(yù)示了放療的不完全緩解。頭頸癌患者的SUV可區(qū)分局部復(fù)發(fā)和無復(fù)發(fā)(所有復(fù)發(fā)患者的SUV>2),而非小細(xì)胞肺癌患者中沒有發(fā)現(xiàn)這種相關(guān)性。兩種腫瘤患者的T/Mu、T/Me與復(fù)發(fā)率相關(guān),即所有T/Mu>1.6或T/Me>2.0患者都出現(xiàn)了局部復(fù)發(fā),剩余11例中僅有3例出現(xiàn)了復(fù)發(fā)。4.2.3細(xì)胞表型及hltv、h內(nèi)部質(zhì)的檢測乏氧顯像指導(dǎo)調(diào)強放療(hypoxiaimagingguidedintensitymodulatedradiationtherapy,HIG-IMRT)是隨著放療技術(shù)及功能影像學(xué)的發(fā)展而產(chǎn)生的,可使乏氧組織的受照劑量增加而較少對正常組織的影響。自Alber等對1例舌底部腫瘤進(jìn)行了18F-FMISOPET顯像,并根據(jù)各生物靶區(qū)不同的處方劑量制定計劃,為HIG-IMRT的可行性提供了基礎(chǔ)理論及物理基礎(chǔ)后,應(yīng)用乏氧顯像指導(dǎo)生物調(diào)強放射治療已成為放射治療技術(shù)不可替代的輔助手段。Grosu等首次應(yīng)用18F-FAZAPET指導(dǎo)IMRT,對10例頭頸部腫瘤患者放療前行影像檢查,以18F-FAZAPET與CT或MRI融合圖像,勾畫大體腫瘤靶區(qū)和乏氧生物靶區(qū),腫瘤及轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)的乏氧生物靶區(qū)體積分別占大體腫瘤靶區(qū)體積的7%~28%和2%~18%。分別以90%及105%的等劑量曲線包繞大體腫瘤靶區(qū)及乏氧生物靶區(qū)。初步顯示F-FAZAPET勾畫乏氧生物靶區(qū),指導(dǎo)放療的可行性。Chao等以62Cu-ATSM進(jìn)行PET乏氧顯像,并與CT圖像融合后勾畫靶區(qū),將62Cu-ATSM攝取高于正常組織2倍定義為乏氧腫瘤區(qū)(hGTV),以此制定HIGIMRT計劃,結(jié)果hGTV吸收劑量達(dá)到80Gy35次,肉眼靶區(qū)同時接受70Gy35次,臨床靶區(qū)吸收劑量為60Gy,而腮腺<30Gy,達(dá)到了較滿意的療效,初步證明62Cu-ATSM顯像指導(dǎo)IMRT的可行性。梁培炎等對38例NPC患者按常規(guī)進(jìn)行鼻咽、頸部99mTc-HL91斷層顯像,同時對16例患者按乏氧靶區(qū)調(diào)整放療劑量,行后程三維適形放療(3DCRT),結(jié)果99mTc-HL91乏氧顯像對NPC診斷的靈敏度、特異性、準(zhǔn)確性分別為82%,78%,87%;NPC病灶的乏氧狀態(tài)預(yù)期對放療的影響密切相關(guān),相關(guān)系數(shù)r為0.532,P<0.01。李玲等對30例NSCLC患者進(jìn)行了99mTc-HL91SPECT顯像,采集注射99mTc-HL91后2h、4h及6h腫瘤的各方向平面圖像,分別勾畫各時相腫瘤和對側(cè)相應(yīng)部位感興趣區(qū),計算靶/非靶(T/N)比值。結(jié)果顯示99mTc-HL91選擇性地濃集于腫瘤組織,濃集區(qū)域與CT顯示腫瘤區(qū)域一致。研究提示99mTc-HL91顯像是一項有價值的肺癌檢查手段。99mTc-HL91腫瘤乏氧顯像的最佳顯像時間是注射后4-6小時。在乏氧顯像指導(dǎo)下的放療療效優(yōu)于常規(guī)放療。5腫瘤增注劑乏氧顯像有著重要的臨床應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。尤其在實體瘤的診斷,治療方案的指導(dǎo)以及預(yù)后的評價等方面有其不可替代的優(yōu)越性。隨著國內(nèi)外學(xué)者對乏氧顯像劑及核醫(yī)學(xué)技術(shù)的不斷深入研究和拓展,乏氧顯像技術(shù)定會發(fā)揮越來越重要的作用。2.1氧電極測定(oxygenelectrodes)被認(rèn)為是測定腫瘤乏氧狀況的“金標(biāo)準(zhǔn)”。操作上需要將微電極插入腫瘤組織內(nèi),實時探測電極插入點的氧分壓。但此法具有工作量較大,結(jié)果較實際情況偏高、創(chuàng)傷性較大,反應(yīng)腫瘤整體的乏氧狀況能力較差,且會增加腫瘤轉(zhuǎn)移機(jī)會等不足。2.2組織形態(tài)分析(histomorphometricanalysis)通過分析腫瘤組織內(nèi)毛細(xì)血管間