腫瘤整合素α vβ3受體顯像的研究進展

陳佐偉,甘志彪,郭一玲,張英男

(深圳市人民醫院核醫學科,廣東深圳518020)

1971年,Folkman提出“腫瘤的生長和轉移都依賴于新生血管的生成”的觀點[1]。該觀點認為任何實體瘤的生長與轉移均有賴于新生的血管形成(angiogenesis),缺乏新的血管形成,腫瘤的生長很難超過3 mm,只有新的血管形成后,腫瘤才能迅速增長。臨床上也發現腫瘤的新生血管密度與癌轉移及患者的存活率相關[2]。于是,抗血管形成為治療腫瘤的一種新概念。

腫瘤血管生成被各種蛋白分子調控,其中包括整合素α vβ3受體。整合素α vβ3受體主要介導細胞與細胞以及細胞與細胞外基質(extrocellural matrix,ECM)之間的相互黏附,對細胞的增值、分化、轉移、凋亡起到重要的調節作用,對腫瘤的侵潤、轉移發揮重要作用[3]。整合素α vβ3受體在腫瘤生長和轉移過程中的高度限制表達,使其成為一個非常有吸引力的靶點,用于腫瘤的診斷和治療。

1 整合素α vβ3受體

整合素α vβ3是一種ECM黏附受體,作為黏附家族中的一員,它是由由α V亞基(CD51,150 kD)和β3亞基(CD61,105 kD)形成的跨膜異源二聚體糖蛋白,又名VN(vitronectin,VN)受體。整合素由較長的胞外區、單螺旋的跨膜區及較短的胞質區三部分組成;胞質區與細胞骨架結合,將細胞骨架錨定于細胞膜,介導細胞與ECM的雙向信號傳遞。在哺乳動物中,已經發現了18種不同的α鏈和8種不同的β鏈,二者組配形成至少24種不同的整合素受體[4]。整合素α vβ3介導細胞和ECM、細胞與細胞間的黏附和整合細胞內外信息傳遞。生理情況下整合素為細胞非組成性表達,在整合素家族中各亞型的表達有時序性和分布特異性。整合素α vβ3亞型是最廣泛的ECM受體,主要介導間質細胞與纖維連接蛋白、纖維蛋白原、Ⅰ型膠原、玻璃黏結蛋白、層黏蛋白、Ⅷ因子相關抗原(von Willebrand factor,vWF)等ECM的黏附,并和血小板衍生的生長因子(platet derived growth factor,PDGF)、轉化生長因子β1(transfor-mation growth factor,TGF-β1)、血管內皮細胞生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、堿性成纖維細胞生長因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)等細胞因子有信號協同作用,主要傳遞和細胞增殖、分化、運動、分布、定居、生存或凋亡等有關的細胞信號[3]。整合素不僅是細胞間的粘附蛋白,亦與細胞內的骨架相聯合,并充當細胞內向外及細胞外向內的信使,對細胞的功能具有重要影響。

α Vβ3可以表達于多種細胞類型,并與多細胞活動過程中的多種配體結合,參與腫瘤的血管生成,侵襲轉移、炎癥、傷口愈合和凝血等生理和病理過程[5]。其中,血管生成是一種復雜的、多步驟的過程,需要許多因子間的相互作用,這些作用需要以特定的時-空方式相互協調,目前至少有8種的整合素(α 1β1、α 2β1、α 3β1 、α 6β1、α 6β4 、α 5β1、α v β3、α v β5)參 與腫瘤 血管生成,其中α Vβ3發揮著重要作用,其可能機制如下:參與內皮細胞的激活和遷移、介導內皮細胞增殖、抑制內皮細胞凋亡、參與bFGF誘導的血管生成、參與VEGF誘導的血管生成、誘導環加氧酶的產生等[6,7,8]。

2 整合素α vβ3受體腫瘤顯像

受體顯像是利用放射性核素標記的配體或配體類似物作為顯像劑,將配體受體結合的高特異性與放射性探測的高敏感性相結合建立的一種核醫學顯像技術。對腫瘤的定性、定位診斷價值日益受到臨床的關注。目前研究最多且最廣泛用于臨床的主要有131I(123I)-MIBG腎上腺素能受體顯像和111In-octreotide(奧曲肽)生長抑素受體顯像。其中,生長抑素受體顯像劑111In-octreotide已得到歐美國家正式批準應用于臨床,并在腫瘤的早期診斷與鑒別診斷、臨床分期與治療方案制定等方面起到了重要的作用[9]。然而,由于并非所有的實體腫瘤細胞都表達這兩類受體,故在腫瘤臨床應用中受到了一定的限制。因此,尋找腫瘤組織共同、特異和過度表達的受體,篩選與合成受體的特異性配體,并實現保留配體結合活性的放射性核素標記一直是腫瘤受體顯像研究的熱點。實驗研究發現,整合素α V β3受體是極有應用前景的腫瘤靶受體。

整合素α Vβ3受體不僅在包括骨肉瘤、成神經細胞瘤、肺癌、乳腺癌、前列腺癌、膀胱癌、膠質母細胞瘤及浸潤性黑色素瘤等多種腫瘤細胞表面有高表達,而且在腫瘤組織新生血管內皮細胞膜有強烈表達,但在成熟血管內皮細胞和絕大多數正常器官系統中,α Vβ3受體表達缺乏或幾乎不能被探及[10]。α Vβ3受體通過與ECM蛋白(如玻基結合素等)的受體識別序列 RGD(精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸)特異性結合,介導腫瘤細胞粘附和移行,在腫瘤生長、局部浸潤、轉移,特別是腫瘤誘導的血管生成過程中發揮重要作用[5]。這一理論為設計含有RGD序列的α Vβ3受體小分子拮抗肽、用作選擇性腫瘤靶向受體顯像奠定了理論基礎。

利用RGD與integrinα vβ3的特異性結合而設計的 RGD類分子探針得到廣泛的研究和應用,有許多綜述文章對此進行了詳盡的報道。由于核醫學的SPECT和PET分子顯像技術更為成熟,因此在這些RGD多肽分子探針當中,放射性核素標記占據了主導地位。在制備RGD放射性標記肽中,含R GD序列肽的高親和性(如c(RGDyK))、定位特異性、靶向多價性(如RGD二聚體肽[c(RGDyK)2])、合適的修飾(如DKCK側鏈、SAA 基團的引入,以及 DOTA、DTPA、HYNIC、HPMA 的共聚連接等)以增加分子的滲透性、體內穩定性、增加腫瘤的攝取并延長其滯留時間、減少本底及非靶器官(特別是血液和肌肉)的攝入、加快血液的清除、減少肝及腎放射性聚集、利于金屬放射性核素的標記、提高圖像質量。這些一直是研究者困擾的問題。同時,研究用125I、99mTc、111In或18F等標記進行腫瘤顯像,是目前腫瘤分子核醫學中α vβ3受體顯像應用研究的主要內容。實現α v β3受體的配體一步法標記藥盒的制備以進行受體顯像,并向臨床推廣應用,是本研究領域的發展方向之一。國內外學者均在該領域進行了大量的研究與探索。

國內李前偉[11]、劉開元[12,13]、胡四龍[14]等在放射性核素標記RGD多肽類似物及含RGD序列的多肽并進行受體顯像方面做了大量的工作且取得較好的成果。劉開元、李前偉認為目前國外RGD肽99mTc標記報道多為引入修飾基團進行間接法標記,制備過程復雜,標記產率低,而他們利用99mTc直接標記RGD-4CK,該法簡便、快速、高效,國內外報道少見。由于雙環狀RGD-4CK含2個二硫鍵,因此他們初步研究了利用酒石酸亞錫作為還原劑對RGD-4CK進行預錫化直接法標記的方法。該法標記率可達92%-95%,標記物體外穩定性好,能滿足顯像要求。該研究為今后其他含二硫鍵環形多肽的99mTc直接法標記奠定了基礎[12]。我科及吉林大學馬慶杰教授在用99mTc、111In、90Y和177Lu標記RGD多肽及評價方面正進行系統的研究工作。這些均將為今后國內開展α vβ3受體腫瘤顯像的研究提供了理論與實踐準備。

Sipkins等[15]在兔實驗中應用表面脂雙層分子被LM609(Vitaxin)修飾的包裹釓的脂粒體作為腫瘤受體靶向顯像劑進行磁共振掃描(MRI),可顯示在普通MRI掃描中無法顯示的腫瘤血管生成的熱點。Haubner[16]實驗室和斯坦福大學陳小元[17]實驗室在用18F和64Cu標記的R GD多肽進行PET顯像方面做了大量的研究工作,Haubner等[16]研究表明18F標記含RGD序列多肽作為PET檢查的顯像劑可在鼠α V β3陽性的腫瘤中累積并呈劑量依賴性,能清晰辨別惡性組織和正常組織界限。美國普度大學生命學院劉爽[18]實驗室在99mTc標記的RGD多肽方面進行了深入的研究;Sivolapenko[19]等1998年報道了99mTc標記含兩個RGD的線性十肽對1例轉移性黑色素瘤患者的顯像觀察,所得圖像雖然顯示了腫瘤的特異性結合,但發現肺和腹部存在持續高水平核素滯留。Haubner等[20]認為,導致肺部放射性增加的原因可能是該線性RGD肽對識別RGD序列的整合素亞型特異性不強所致,并選取經實驗證實對α v β3受體具有高親和力、高特異性的 RGD環形五肽-c(RGDfV)(注:c代表該五肽為環形,f代表該苯丙氨酸構象為D型),將其中第4位上的苯丙氨酸替換為酪氨酸,采用Iodogen法進行125I標記,得到125I-c(R GDy(I)V)(簡稱125I-P2),并研究了該標記多肽在體內外與腫瘤受體的結合特性,結果顯示:c(RGDy(I)V)、c(RGDfV)抑制玻基結合素與α vβ3受體結合的Q值分別為0.031與0.033,即引入酪氨酸和碘不影響125I-P2與α v β3受體結合的高親和力及選擇性;但125I-P2血液清除快速,在觀察期內骨肉瘤組織與血液的T/NT比值為2.7-7.7,表明其屬于α v β3受體依賴性的農聚,該標記配體主要通過肝臟分泌;在荷瘤動物體內的放射自顯影與上述結果一致,陰性對照標記肽125I-c(RADyV)在腫瘤組織則無特異濃聚。不過,該放射性標記配體主要經膽道系統排泄,限制了對肝臟與腹部腫瘤顯像的臨床應用。

有學者報道了放射性核素111In和(或)99mTc標記包括DTPA(二乙三胺五乙酸)RGD類似物、含2個RGD序列的十二肽、環形RGDfK多肽類似物及含R GD序列的多肽2葡聚糖共軛物等在內的多種α v β3受體拮抗劑[21]。資料顯示,這些標記配體從血液中清除迅速,由于在拮抗劑中引入了常用的雙功能連接劑如DTPA、DOTA(1,4,7,102四氮雜十二環烷四乙酸)、HYNIC(肼基煙酰胺)及葡聚糖等基團,一方面有利于金屬放射性核素的標記,使部分標記配體的放射化學產率＞90%,個別可達99%;另一方面引入有上述基團的 R GD多肽主要從腎臟排泄,能加速組織本底放射性的降低,提高顯像圖像質量,顯著擴大了這類標記配體的臨床應用范圍和價值。另外,所有標記化合物均在體內、外顯示與腫瘤特異性結合,且在荷瘤動物體內的T/NT比值為4.0-43.0。Haubner等[15]在環形(-R GD-D-FK-)五肽中引入一個血清樣淀粉蛋白(SSA)基團,得到了環形-Arg-Gly-Asp-D-Phe-Lys-(SAA)-,簡稱Galacto-RGD。引入SAA后,一方面改進了RGD類似物的藥物動力學,使其親水性增加,同時明顯降低肝臟的攝取;另一方面有利于實現18F的標記。體內、外受體介導結合特性、生物學分布及腫瘤鼠模型PET顯像研究顯示,18F-Galacto-RGD的血液清除同樣快速,主要經腎臟排泄,絕大部分器官(特別是血液和肌肉)僅有低水平的放射性分布,而在觀察期間α vβ3陽性腫瘤有穩定的核素濃聚,注射后120 min,腫瘤/血液比值為27.5,腫瘤/肌肉比值為10.2,表明該標記配體與腫瘤α vβ3受體特異性結合。Amitava等[22]用99mTc標記了由甲基丙烯酸羥丙酯(HPMA)與雙環形RGD肽R GD4C(KACDCR GDCFCG)結合成的共聚體HPMA-RGD4C,并進行了前列腺癌腫瘤鼠顯像,結果顯示24 h甚至72 h腫瘤仍有明顯放射性滯留,24 h瘤/血比值約為20,72 h瘤/血比值約為50,但肝膽和腎放射性仍明顯;同時與陰性對照肽HPMA-RGE4C進行了對比,后者無明顯腫瘤放射性攝取,提示前者與腫瘤的結合具有結構依賴性。陳小元等[23]在親和性較高的c(RGDyK)肽上連接了甲氧基聚乙二醇(mPEG),用125I標記,并對皮下及常位膠質瘤進行了放射性自顯影,與125I-c(R GDyK)相比,在2 h的觀察時間內,前者血液清除更為迅速,肝、腎放射性聚集明顯減少,但腫瘤放射性攝取峰值出現較晚。

總之,含RGD序列的小分子肽多是腫瘤α vβ3受體強有力的拮抗劑,向多肽中引入不同的功能基團進行一定修飾,并用放射性核素標記,由于未改變這類多肽的空間結構,因此并不影響標記配體在體內、外與α v β3受體結合的親和力與選擇性。這類多肽不僅是具有潛在臨床應用價值的腫瘤受體靶向顯像劑,而且為進一步開展實體腫瘤受體靶向核素治療研究奠定了堅實的基礎。α vβ3受體顯像具有如下的應用前景:能客觀地預測腫瘤對α vβ3受體拮抗劑(抗腫瘤血管生成)本身及(或)其介導的放射性核素治療的有效性,特別有助于患者治療方案的選擇;對抗腫瘤血管生成藥物的藥理研究有重要的指導作用;可對實體腫瘤提供高敏感性和高特異性的定性、定位診斷,明顯優于腫瘤放射免疫顯像,理論上敏感性高于生長抑素受體、腎上腺素能受體和血管活性腸肽等受體顯像[13]。

3 小結

惡性腫瘤的持續生長、侵襲轉移與腫瘤血管生成密切相關,在這個過程中整合素α vβ3受體起著重要的作用。因此,放射性標記RGD肽作為高特異性的標記物對惡性腫瘤進行核醫學顯像,能夠達到早期診斷和治療目的。隨著生物學和醫學的飛躍發展,特別是分子生物學的發展,分子醫學應運而生,從分子水平對腫瘤進行診斷以及個體化分子治療已經成為腫瘤診療發展的重要方向。作為分子醫學的重要組成部分,整合素α v β3腫瘤受體顯像及α vβ3受體介導的放射性核素靶向治療必將日益受到關注。研究用125I(131I)、99mTc、111In、18F 等核素標記進行腫瘤受體顯像,用131I、188Re、90Y、153Sm、89Sr等核素標記進行受體介導的腫瘤治療,并在進一步的治療研究中對RGD多肽分子進行改造,提高其在腫瘤的攝取,延長其在腫瘤的滯留時間,使受體介導的核素靶向治療邁向一個新的臺階,這些均是目前腫瘤分子核醫學中α vβ3受體應用研究的主要內容。并盡快從主要進行動物研究過渡到向臨床推廣應用,是本研究領域的發展方向之一。

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