[原创]活体动物分子成像技术的组合运用在新药研究中的应用

目前兴起的分子成像技术在新药研究领域引起了很多科研工作者的兴趣，在新药研究的各个环节，分子成像技术越来越显示了其优越性和必不可少性，发挥越来越重要的作用。分子成像技术包括活体动物可见光成像技术、小动物PET（SPECT）技术以及小动物CT技术等。活体动物可见光成像技术由于仪器操作简单、价格相对便宜，率先普及。随着分子成像技术的发展，小动物PET技术会逐渐由于其在药物代谢等方面的优势，克服放射化学的技术门槛和仪器的价格门槛，也会逐渐成为药物研究中不可缺少的技术。根据目前的应用资料，我们可以断定活体动物可见光成像技术和小动物PET技术将成为新药研究中最主要的两种技术。那么，这些技术在新药研究中是如何应用的？各有什么优点和缺点，这正是本文要回答的问题。

活体动物可见光成像技术可以观察肿瘤细胞因给药后的变化，主要是肿瘤细胞是否死亡，肿瘤体积是否变小。通过特定的给药途径、时间、剂量，结合肿瘤细胞的变化，设计最合适的给药策略。也就是说，围绕提高药物的生物利用度、平稳的血药浓度和优良的药物代谢参数、给药的靶向性三个方面去努力，最终达到以最小剂量的给药达到治疗效果，以回避可能产生的毒副作用。活体动物可见光成像技术所获得的光子值与肿瘤细胞的体积呈线性相关，虽然是属于功能成像，但对于观察肿抗肿瘤药物的效果来说，实际上只发挥了结构成像的功能，只观察了肿瘤细胞的多少与体积变化。只要细胞活着就可以观察到，而不考虑细胞的生存状态和代谢能力以及活跃程度，肿瘤细胞在经药物治疗后首先表现的代谢变化信息是不能获得的。而且由于可见光在生物体内的漫射特性，活体生物发光的分辨率很低，在3-5mm左右；活体荧光成像的分辨率在使用400万像素的CCD时，也只能达到2-3mm，不能实现对精确定位的要求。另外，由于可见光在生物体内的衰减，导致所得结果不能绝对定量，这些客观实际都要求其他成像模式的运用与发展。

小动物PET或SPECT技术不但能观察肿瘤的体积变化，更能提早观察肿瘤细胞的代谢变化，在肿瘤细胞活着的时候，就能观察葡萄糖、胆碱、氨基酸的代谢是否正常。该技术属于真正的功能成像，可以观察到细胞死亡之前的代谢变化过程。有科研人员应用¹¹C标记的胆碱作为示踪剂观察人类前列腺癌动物模型，发现在C4-2、PC-3、CWR22rv以及LNCaP四种前列腺癌细胞中的肿瘤/肌肉比值是不同的，从而得到肿瘤生物过程的代谢信息。此外，该技术可获得三维断层信息，能精确计算肿瘤的体积，分辨率在1.8mm。最重要的是，该技术能观察药物的ADME，研究药物的特异性作用靶点，而且可获得动态信息。小动物PET技术虽然还没有普及，但是可以预见，在不远的将来，将是新药研究必不可少的技术。

在您通过小动物可见光成像技术了解肿瘤被药物作用后的细胞多少变化之外，是否也关心药物是通过环节起作用的，药物是否必需通过特定的生物标记物才能其作用？药物在体内的代谢途径如何？药物是否到达肿瘤细胞？在肿瘤细胞死亡之前，它的代谢活动是否有变化，也就是说肿瘤细胞的氨基酸代谢、葡萄糖代谢、胆碱代谢是否异常？这一系列的问题都要通过小动物PET技术得以了解。NightOWL ⅡLB 983活体动物光学成像系统配合小动物PET成像系统正是解决上述科研问题的完美方案，提供从生物发光、反射荧光、透射荧光到PET（包括SPECT）成像的全面解决方案，即可以通过肿瘤体积的缩小了解抗肿瘤药物的作用效果，还可以提前观察肿瘤细胞在给药后的代谢变化，也可以通过正电子核素标记的药物的示踪了解该药物作用的靶点是什么（尤其是亚洲人、中国人特异的靶点），也可以了解该药物在人体内的ADME过程。

综上所述，在您选购小动物可见光成像系统的时候，是否把将来的发展和兼容性作为考虑内容之一，这样您在药物研究应用分子成像技术的领域将是领跑者，不用担心将来的生物发光或荧光成像资料如何与PET成像结果的兼容问题，Berthold公司的仪器设计者已经为您做了长远的考虑。NightOWL ⅡLB 983活体动物光学成像系统与小动物PET成像系统两种不同成像原理的设备组合，不是其功能的简单相加，而是在此基础上通过统一的动物床MACU进行图像融合，是指将相同或不同成像方式的图像经过一定的变换处理使它们的空间位置和空间坐标达到匹配，图像融合处理系统利用各自成像方式的特点对两种图像进行空间配准与结合，将影像数据注册后合成为一个单一的影像。

一、  活体动物光学成像技术在药效学研究中的应用
通过荧光素酶基因或GFP/RFP基因标记的肿瘤细胞，在小鼠的皮下接种，造成皮下肿瘤模型，给予特定的药物后，观察肿瘤细胞的生长和变化。通过GFP/RFP基因标记的优点在于不需要底物荧光素，不需要较长的检测时间，但是不适合进行原位接种。用荧光素酶基因标记的优点在于可进行原位接种，但是检测的时间较长，需要底物荧光素。但是在研究抗肿瘤药物的治疗效果时，通常用皮下模型的较多。

1.  荧光成像
交通大学肿瘤研究所的科研人员应用NightOWL ⅡLB 983活体动物光学成像系统，通过H-460-GFP皮下肿瘤模型，建立小鼠肺癌的实验模型，可用来进行有关抗癌药物的筛选。该课题已经申请了上海市科委的资助，计划建立3-5种肿瘤的活体模型进行药物筛选。

2.  生物发光成像
抗肿瘤新药托普替康的抗肿瘤疗效观察。是通过皮下接种的肿瘤模型来观测的。目前笔者还没有发现通过原位接种来观察药物的治疗效果的报道。

3.  小动物PET可检测肿瘤代谢的变化
应用小动物PET技术进行肿瘤的代谢显像，包括葡萄糖、氨基酸、脂质、胆碱代谢显像等，通过此来了解药物是如何起作用的，以葡萄糖代谢显像观测肿瘤的发生发展变化最为常用。科研人员通过PET显像接种CWR22前列腺癌细胞的小鼠对FDG的吸收，来研究抗前列腺癌药物治疗效果，发现在第四天肿瘤体积虽然没有明显缩小，但是对FDG的吸收已经下降了43%。这就比活体动物可见光成像更早地发现药物的治疗效果，并能发现治疗机理。说明肿瘤细胞在死亡之前首先发生代谢的异常，而后是死亡。

米兰大学的科研人员应用小动物PET成像系统，标记葡萄糖、胆碱等，观察肿瘤细胞内上述物质的代谢情况，取得了不错的成果。利用小动物PET进行肿瘤代谢显像，目前还是起步阶段，有很多未探明的领域。相信随着该技术的普及，一定会有很多新发现。

二、  药物对基因表达的影响
研究者根据研究目的，将靶基因用荧光素酶标记，同时转入动物体内形成所需的疾病模型，包括肿瘤、免疫系统疾病、感染疾病等等，可提供靶基因在体内的实时表达和对候选药物的准确反应，还可以用来评估候选药物和其它化合物的毒性，为药物在疾病中的作用机制及效用提供研究方法。上海南方模式动物中心的科研人员应用NightOWL ⅡLB 983活体动物光学成像系统，用于观察中药诱导特定基因表达或关闭。用荧光素酶基因标记IL-1β 基因 ，形成转基因小鼠，IL-1β 基因与荧光素酶基因平行表达。通过构建这样的平台，来筛选对炎症有关的治疗药物，将是中医药领域应用活体动物光学成像技术的先驱，将极大的促进中医药研究方法学的发展。该课题获得上海市科委资助，相关的文献已经快发表了。

三、  药物的ADME研究
用荧光染料标记药物可进行药物的体内的分布和靶向性研究，但是由于荧光染料标记的药物种类受到限制，不能进行动态成像，所以小动物PET仍然是药物的临床前ADME研究的主要技术。交通大学肿瘤研究所的科研人员应用Cy5.5标记的抗体的体内代谢实验，可见标记的抗体在肝、肾等处的分布，这是荧光标记的药物在体内靶向性研究应用NightOWL ⅡLB 983活体动物光学成像系系统的先例。复旦药学院的科研人员还用量子点标记药物，观察药物在脑部的靶向性，相关的实验在进行中。这些实验拓展了荧光成像的应用，检测的深度对于小鼠来说没有了只在体表的限制，而且所获得的图片清晰，没有背景光的强烈干扰，将极大的方便药剂学领域对活体成像技术的应用。

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，即药物的ADME（吸收、分布、代谢、排泄）的信息。也就是说，该技术可以观测药物是否穿越血脑屏障，是否有器官特异性的聚集，是否识别靶受体以及血浆与组织中药物含量比值。总之，通过小动物PET技术可以监测药物作用全过程，提供活体动态信息，并对比治疗前后动物疾病模型的状况，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。例如：意大利的科研人员用¹¹C标记化合物PK11195的类似物VC701，注射入大鼠体内后，观察由于对PBR受体的识别而导致的分布规律，经过拮抗剂PK11195的竞争性阻断后，¹¹C -VC701与受体的结合明显降低。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，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。

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