[求助]小动物PET 在药物研究中的应用

方红娟，杜延荣，李 方，陈 方
（中国医学科学院·中国协和医科大学北京协和医院核医学科）

摘要：小动物PET 是一种定量显像技术，能够无创伤地、动态地显像正电子核素标记的放射性药物在活体内的分布，为药物研究和评价提供了一个新的研究方法和途径。这篇文章主要介绍了小动物PET 的一些基本知识及其在药物开发和研究中的应用。

关键词：小动物PET；分子显像；药物研究

药物研究过程需要监测药物在实验动物体内的药代动力学和药效学［1］，目前常用的方法是在不同的时间点处死实验动物测定血药浓度，不能提供活体内的动态信息，而且需要牺牲大量实验动物，因而迫切需要一种能在活体内进行分子研究的新的方法。正电子发射断层显像技术（ Positron Emission Tomography，PET），是利用正电子核素标记的示踪剂进行活体显像，能够无创伤地、动态地、定量地从分子水平观察活体生理生化变化特点的一种定量显像技术。小动物PET 是基于PET 临床诊断技术发展起来的专门用于小动物的断层显像装置，它具有灵敏度高，可定量以及实验结果可直接类推至临床等优点［2］，因而受到了广大医药研究者的重视。就PET而论，虽然可以在现代人体PET 扫描仪上获得小鼠肿瘤的显像，但在费用上是极大的浪费，效果也欠佳，专门的小动物PET 扫描仪能大大提高灵敏度和空间分辨率。小动物PET 用于药物的开发和研究，引起了全球医药界的极大关注，目前世界上至少有200 个科研机构和动物显像实验室常规使用小动物PET 进行药物研究。小动物PET 用于药物研究典型的例子就是〔18F〕FDG 用于评价细胞的葡萄糖代谢，其代谢异常增高是恶性肿瘤细胞转移的主要特征［3］。

1 小动物PET 及其用于药物研究的优势

小动物特别是小鼠，在研究人类生物学和疾病过程中起至关重要的作用，小鼠和人类有着几乎相同（约95%）的基因组，这为研究人类基因功能提供了平台［4］。小动物PET 能清晰识别小动物的器官结构，研究者可以通过将药物分子中的某些基团用发射正电子的核素标记，利用小动物PET 观察药物在活体内的药代动力学、生物分布、药效学等随时间的变化，了解抗癌药物的早期反应和基因治疗等方面的信息。

1. 1 小动物PET 及其原理 小动物PET 扫描仪，最初在加利福尼亚大学洛杉矶分校克伦普研究所研制，现在已有许多不同的型号，最近研制成功的小动物PET 扫描仪其空间分辨率已能达到1 mm［5］。小动物PET 是由封闭多环型探测器，电子前端放大与符合系统、计算机系统以及检测台构成。小动物PET 显像的基本原理是将正电子核素标记的药物引入体内并定位于靶器官，利用它们发射的正电子与体内的负电子结合释放出一对伽玛光子，被成对符合探测采集，采集的信息通过计算机图像重建处理成断层图像，显示带正电子核素的药物在体内的分布情况［6 ～ 8］。

1. 2 用于小动物PET 的正电子标记药物 利用小动物PET 进行药物开发和研究的正电子标记核素主要有以下四种［6，9］，一是正电子核素直接标记药物，如18F 取代药物中的氟或氢原子。二是正电子核素标记人体本身具有或需要的化合物或类似物，如15O 标记的H2O 研究区域性血流速度。三是正电子核素标记配体或抗体，如［ 11 C］-β-CFT 可用于帕金森早期诊断的显像。四是正电子核素标记生物标志物，如［11C］-PIB 用于评估淀粉样斑块，诊断AD。

1. 3 小动物PET 用于药物研究的优势 小动物PET 能够无创伤地、动态地、定量地显像正电子标记的放射性药物在活体内的分布，从而可以大大提高新药研究的准确性和有效性，缩短新药研究的周期，减少新药研究的投入资金，加速创新药物进入临床应用的时间。小动物PET 用于药物研究的优势主要有以下几个方面：① 体外研究并不能直接推导到体内应用，而小动物PET 显像的方法和结果可类推到人体研究，提供了从动物研究到人体研究的桥梁，因此加速了药物和医学发展的步伐［8，10］，缩短了新化合物进入临床应用的时间。② 可以在同一动物身上进行无损伤的反复实验，减少实验动物的使用，节约了实验费用［11］，最大的优势在于可以对同一只动物在不同时间点进行研究，消除种属差异。③ 能获得动态的数据资料，以往的研究方法在动物实验阶段，多数数据的获得都是在处死并解剖动物后离体测量，一方面降低了测得数据所反应的时值效应，另一方面使实验的连续性受到影响，不能在同一动物身上体现连续的动态测定，而小动物PET 显像可以对实验动物进行动态扫描［11］。④ 可对整个动物进行有效的测量和在体外快速的扫描，从而对整个实验过程进行纵向研究，可以观察动物体内疾病的发展状况以及药物对疾病的治疗效果，快速得出更加明确的结论［13］。

2 小动物PET 在药物开发和研究中的应用新药研究可分为药物的开发、研究和临床试用3 个阶段。在第一阶段，大量合成的有机化合物或天然产物的有效成分，在药理模型上进行随机筛选，从而发现有进一步研究价值的先导化合物。在第二阶段，优化的先导化合物经过药效学、药代动力学和毒理学等实验，完成临床前的各项研究。第三阶段进行一系列的临床试验，并经药管机构审批同意后，才能成为新药。在药物的研究过程中，我们必须解决以下几个问题［14 ～ 16］：① 药物在血液和靶组织中的浓度能否达到所需要的生物浓度，即生物分布。②药物与靶点的结合情况即特异性。③药物是否能达到特定的生物效果，如抑制增生扩散或减少组织乏氧，即间接评价。④药物的代谢速率是否合适。只有这些问题能在动物模型上得到满意的解决，才有可能进入临床研究。小动物PET 能够很好解决这些问题，提供定量动力学、体内药代动力学和药效学数据，加速药物开发和研究进程。

2. 1 新药的筛选 在新药研究的第一阶段，小动物PET 是一个最理想的药物筛选的平台技术。高通量的合成系统只有配置小动物PET，才能真正地达到高通量地筛选先导化合物。小动物PET 显像能在候选药物中选择先导化合物。在体外检测能结合到特定靶点的候选药物，使候选药物的数量减少到一个容易控制的范围内，找出与靶器官亲和力最好并具有高效性的先导化合物。例如，在神经系统新药的研究中，利用小动物PET 的定量示踪技术和一种特定的核受体分子探针就可对单一受体进行大量的化合物筛选。

2. 2 药代动力学、药效学和临床前药理学 小动物PET 可以获得放射性标记药物或者类似药物详细的药代动力学信息，如药物分布清除率和对靶受体的效果；还可获得药物在机体内的组织分布；是否穿越血脑屏障；是否有器官特异性；药物代谢速率；血药浓度；血浆与组织中药物含量比值及其他动力学参数［17，18］。如［11 C］WIN35428，一个可以与多巴胺受体结合的可卡因类似物。在小鼠大脑左右纹状体，3mm 大小的肿瘤都可被清晰分辨。时间活性曲线显示小鼠大脑的多巴胺丰富区域（ 纹状体）和多巴胺贫乏区（小脑）有明显区别［19］。通过标记一个示踪剂评价药物的效果，这种类型的研究是通过药物干扰生物过程显像生理改变或功能变化，如可用PET 显示葡萄糖、氨基酸、脂质代谢，血管增生，凋亡，血流，乏氧和骨代谢等［20，21］，作用机制都可通过受体占领，酶抑制直接评估。这种方法的优势在于能显像作用过程并定量分析。监测药物治疗全过程，提供活体动态信息，并对比治疗前后疾病状况；药物摄取的组织特异性和药物活性间的关系，还可以知道可能产生的组织损伤并进行人与动物的对比研究。监控传统化疗方法的效果是小动物PET 在显像药效学倍受关注的一个重要应用，如通过使用小动物PET 监控雄激素治疗前列腺肿瘤的效果就是这个原理，可以发现利用雄激素治疗前列腺肿瘤代谢的早期变化，结果表明在治疗24 h 内血清中睾丸甾酮水平可影响前列腺内的葡萄糖新陈代谢。Lewis 等［22］已经用小动物PET成功监测了雄激素治疗前列腺肿瘤的效果。

2. 3 竞争结合 小动物PET 可以显示药物是否与特定的分子靶点相结合。PET 显像能确定药物在体内被转运并结合到靶组织以及在体内的药代动力学，如用〔18F〕galacto-RGD 来研究它对αvβ3的竞争结合。αvβ3是一个细胞支持受T体，在有活性的内皮细胞层表达，可诱导转导，它能识别并结合到一个特异的三肽序列R00GD 配体。用专门的小动物PET显像可显示〔18F〕galacto-RGD 与老鼠模型皮下肿瘤αvβ3结合的数量，得出随着αvβ3拮抗剂环五肽cyclo（-Arg-Gly-Asp-Phe-Val-）数量的增加，〔18 F〕galacto-RGD 与αvβ3的结合减少。这些研究可无创伤性的评价药物对其他生物学位点的抑制作用，而且可用于肿瘤病人优化治疗剂量，利用适量的αvβ3拮抗剂，保证与〔18 F〕galacto-RG 适当程度的竞争结合。

2. 4 基因显像和基因治疗药物的研究 用小动物PET 进行基因表达显像，对转染基因的定位和表达进行监测可用于小动物活体显像和药物研究，引起了研究者广泛的兴趣，如疾病的转基因模型。用一个PET 报告基因和用放射性核素标记的与之匹配的报告探针，主要是用于示踪基因定位和转基因的表达。PET 报告基因和治疗基因通过启动子连接。启动子激发治疗基因和报告基因的转录，报告基因的mRNA 转译成一个蛋白变成显像PET 报告探针的靶点。比如，放射标记的胸腺嘧啶脱氧核苷或尿嘧啶类似物作为一个特定的酶，单纯疱疹病毒1 型被其磷酸化，报告基因就可表达胸苷激酶的活性。Miyagawa 等［24］已经成功应用2-氟-2-去氧-1-β-D-arabinofuranosyl-5-[124 I］碘标尿嘧啶对表达HSV-1-tk的乳腺癌老鼠进行显像。基因治疗是为了治疗某种基因性、遗传性疾病而采取的新的治疗手段，通常利用修复某些损伤了的基因或通过改变某些基因而破坏细胞增殖，达到治疗目的。近几年来，随着分子生物学、分子遗传学、免疫学等相关学科的渗透，基因治疗特别是遗传病和肿瘤基因治疗发展很快。在基因药物的研究中，利用小动物PET 进行的放射性基因显像具有不可替代的作用，包括基因诱导受体显像、转导基因表达显像，反义DNA 或RNA 对靶基因的直接显像等。

2. 5 肿瘤细胞多药耐药性和逆转成分的研究 临床上肿瘤化疗失败主要是由先天性和获得性肿瘤细胞多药耐药引起的。获得性多药耐药由多种病理机理形成，例如DNA 拓朴异构酶、细胞谷胱甘肽升高、P-糖蛋白（ P-gp）表达异常等。小动物PET 是研究体内功能性转运的有效技术。因此，在肿瘤细胞多药耐药的基础研究和多药耐药逆转成分的研究中，可发挥独到的作用。例如，11 C-colchicine（ 秋水仙素）可用于肿瘤P-gp 功能显像。进而为研究肿瘤细胞多药耐药性和逆转成分提供了实验手段。

2. 6 中药学的研究 在现代中医药的研究领域，小动物PET 提供了一个最新的研究方法和途径。特别是对天然药物、仿生药物以及中医药复方的研究将是一场革命。成为传统中医药走向现代化、全球化的快通道和核心平台。

3 结束语
小动物PET 用于医药工业是药物发展的必然趋势。医药工业可通过组合化学，高通量筛选技术和化学实验，促进更多特定靶点分子显像探针的研究；同时，通过小动物PET 获得新药在动物体内的生物分布，特异性和药代动力学数据，为将来药物临床实验提供临床前数据，节约了研究经费，缩短了药物从研发到进入临床应用的周期［20］。综上所述，小动物PET 将在开发和研究治疗人类疾病更多有效靶点药物中起关键作用。