金屬正電子核素標記的64Cu-ATSM藥物研究進展

廖光星，李寧，何正中，肖國有

廣西醫科大學附屬腫瘤醫院 核醫學科 廣西影像醫學臨床醫學研究中心 廣西臨床重點專科（核醫學科、醫學影像科）廣西醫科大學附屬腫瘤醫院優勢培育學科（醫學影像學科），廣西 南寧 530021

引言

在目前精準醫療的時代大背景下，金屬正電子核素64Cu標記的放射性64Cu-二乙?；?雙（N4-甲基硫代半碳酮）（64Cu-ATSM）分子探針能為精準醫學提供重要的數據支撐，通過大型醫療影像設備正電子發射斷層掃描成像（Position Emission Tomography，PET）技術，將疾病診斷和治療技術提升到細胞和分子水平，實現人體內部生理和病理過程的快速、無損、實時成像。從分子水平上認識疾病，為臨床診斷、治療和醫學研究提供分子水平信息，幫助臨床醫生提高PET的診斷效率、診斷準確性及臨床預測價值。

64Cu是一種具有合適衰變性質和潛在應用價值的金屬正電子放射性核素。1997年McCarthy等[1]研究開發了一種使用醫用回旋加速器高效生產高比活度64Cu的方法。隨著醫療設備技術的不斷發展，當前應用醫用回旋加速器可以對放射性核素64Cu進行有效生產[2]，通過自動化學合成模塊，能夠快速合成放射性藥物64Cu-ATSM。由于醫用回旋加速器制備64Cu成本較高，且國內配備醫用回旋加速器的醫院和科研機構較少，使得廣泛開展64Cu-ATSM的臨床科學研究較為困難。但其作為一種新型的PET正電子顯像劑在腫瘤乏氧顯像中具有潛在的研究價值，同時作為抗腫瘤治療藥物，利用其特異性攝取聚集于靶向細胞，釋放出的高能射線，達到靶向放射治療的目的。因此64Cu-ATSM在疾病預后判斷、療效評價、靶向藥物治療等方面具有廣闊的應用前景[3-4]。

1 64Cu與其標記的64Cu-ATSM

64Cu的半衰期為12.7 h，既能進行β+（17.9%）衰變，又能進行β-（37.1%）衰變[5]。應用β+衰變湮滅輻射后產生能量為511 keV的光子對，能夠進行PET，β-衰變產生的射線可進行腫瘤的放射性治療。金屬正電子核素64Cu衰變過程中放出可利于診斷的射線，又釋放利于治療的粒子，在腫瘤、心腦血管、乏氧組織等疾病的診斷與靶向精準治療領域發展前景廣闊[6-9]。64Cu可以通過反應堆64Zn（p，n）64Cu反應生產，但需配備高能的核反應堆，成本極高，不符合臨床實際應用需求[10-11]。為實現64Cu的大量生產，滿足臨床應用，國內外已經開展應用醫用回旋加速器來高效制備64Cu的研究，近年來最常使用的是基于64Ni（p，n）64Cu核反應，使用回旋加速器產生的質子束流轟擊金箔上薄層64Ni靶，分離純化制得放射性核素64Cu[12-13]。64Cu（Ⅱ）原子結構的外層軌道電子排布（3p63d9）決定其易與含N、S、O等原子的配體形成穩定的化合物,且反應條件較溫和[14]。二價銅較好地配位化學性質使其能夠與各種化合物（小分子、多肽及蛋白等）偶聯[15]。

乏氧現象是惡性實體腫瘤組織存在的一個重要生物學特征，當腫瘤細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，就形成了乏氧區域。從而導致腫瘤細胞對放療及化療的抗拒，很大程度上降低射線和某些化療藥物對腫瘤細胞的殺傷力，達不到理想的治療效果。乏氧顯像是將放射性核素標記的生物分子探針即乏氧顯像劑引入患者體內，這些被標記的分子探針特異性地滯留在腫瘤組織的乏氧區域，通過單光子發射計算機斷層成像（Single Photonemission Computed Tomography，SPECT）或PET無創性地探測腫瘤乏氧組織，并進行定性和半定量分析，從而進行疾病的鑒別診斷、評價預后及指導治療[16-19]。

在乏氧顯像研究中，乏氧顯像劑是至關重要的，64Cu-ATSM是一種親脂性小分子。ATSM與Cu(Ⅱ)絡合后具有水脂雙親性、膜通透性強和氧化還原能力低等特點。各國研究者紛紛以Cu(Ⅱ)-ATSM作為探針顯像劑，應用在腫瘤標記、乏氧組織研究、生命科學和臨床醫學等多個領域[20-24]。在國內，64Cu-ATSM的化學合成以及相關的科學研究已經開展。孫筠等[25]利用小型醫用回旋加速器以富集64Ni為靶材料，根據64Ni（p，n）64Cu核反應，應用Comecer ALCEO固體靶系統：EDL電化學/溶解/轉移/沉積模塊、PRF電化學純化模塊、TADDEO放射性藥物合成模塊，分離純化制得金屬正電子核素64Cu。通過化學標記合成64Cu-ATSM，合成路線如圖1所示。

圖1 64Cu-ATSM合成路線

應用γ能譜儀以及高效液相色譜進行放射核純度、放化純度、穩定性監測。結果顯示產率為60%，放射性核純度＞99%，放化純度＞95%，穩定性＞6 h。

2 64Cu-ATSM在腫瘤方面的應用

2.1 基礎研究

乏氧細胞存在于幾乎所有的實體瘤中，與腫瘤的組織學類型和增長速度有關，并隨腫瘤體積增大而增加。同時，乏氧細胞對化療藥物及射線不敏感，會誘導腫瘤細胞產生血管皮生長因子，導致腫瘤新生血管形成，促進腫瘤生長、侵襲和轉移。糖酵解、缺氧和增殖是腫瘤微環境中導致抗藥性的重要因素，對這些因素進行成像可以潛在地指導癌癥患者的診斷和治療。

近年來，64Cu-ATSM PET的臨床研究已在全球范圍內進行，并且該試劑的有效性得到了認可。Li等[26]對荷瘤小鼠進行90 min動態PET掃描，將不可逆和可逆的兩個組織隔室模型擬合到從整個腫瘤體積獲得的時間活動曲線，并使用Akaike信息標準進行比較。研究結果表明在體內藥代動力學分析中，提取相關參數用于作為缺氧特異性PET示蹤劑對64Cu-ATSM進行臨床前驗證是可行的。腫瘤缺氧即低組織氧合是實體瘤環境的不利條件，伴有惡性進展。Liu等[27]研究報道64Cu-ATSM對小鼠進行放射治療效果積極，腫瘤體積顯著減小并提高了小鼠生存率，為64Cu-ATSM放射性藥物進行PET成像和治療低氧性腫瘤提供了新的證據。Nie等[28]通過空氣干燥對新西蘭白兔右股動脈進行內皮剝脫術，誘發動脈粥樣硬化樣病變，并對左股動脈進行假手術，注射約111 MBq的64Cu-ATSM后，進行了0～60 min的動態全身PET/MR顯像，結果顯示與假手術股動脈相比，兔的受損的股動脈中64Cu-ATSM的攝取增加。64Cu-ATSM成像顯示，損傷后第4周和第8周，受損的股動脈與假手術股動脈SUV的平均比率分別為1.75±0.21和2.30±0.26。該結果表明該兔動脈粥樣硬化模型中存在缺氧現象，64Cu-ATSM PET/MR是檢測人類受試者缺氧和潛在易損動脈粥樣斑塊的潛在有前途的方法。同時在Nie等[29]另一項關于小鼠主動脈弓中64Cu-ATSM的攝取的研究報導中表明，64Cu-ATSM是用于動脈粥樣硬化低氧顯像的潛在PET示蹤劑。

Jin等[30]的研究提出了一種靶向放射性核素治療的新概念，使用皮下αVβ3陽性的U87MG膠質母細胞瘤異種移植物的小鼠，應用18.5 MBq或37 MBq的64Cu-RaftRGD或64Cu-ATSM或組合（每種藥物18.5 MBq）治療小鼠，評估了放射性藥物的腫瘤體積、腫瘤細胞增殖、腫瘤重量、存活率以及腫瘤和器官攝取，結果顯示結合使用64Cu-RaftRGD和64Cu-ATSM可獲得更均勻的放射性分布，兩者的組合（每種為18.5 MBq）與37 MBq的任何一種藥物相比，均顯示出對腫瘤生長和腫瘤細胞增殖的持續抑制作用，并延長了小鼠的存活期。64Cu-RaftRGD和64Cu-ATSM的結合應用使得腫瘤內放射性的分布更加均勻而提高了抗腫瘤效果。McMillan等[31]在低氧條件下，將中國倉鼠卵巢野生型和DNA修復缺陷型xrs5細胞暴露于64Cu-ATSM，證實了64Cu衰變引起的高線性能量傳輸（Linear Energy Transfer，LET）俄歇電子導致DNA的雙鏈斷裂和簇破壞，并且在64Cu-ATSM暴露后觀察到了典型的高LET輻射復雜的染色體像差類型，大多數細胞死亡是由高LET輻射引起的。這項研究提供了有力的證據，證明64Cu-ATSM通過高LET俄歇電子來破壞DNA，支持進一步研究和考慮64Cu-ATSM作為低氧腫瘤的癌癥治療方法。氧化還原代謝的療法在抵抗化學療法和放射治療的癌癥中具有潛力。同時氧化還原成像標記物，將有助于鑒定易受氧化還原定向療法治療的癌癥。Floberg等[32]研究了人宮頸癌和結腸癌細胞中64Cu-ATSM信號與氧化還原狀態之間的關系，應用宮頸癌的小鼠模型用于評估64Cu-ATSM信號與體內還原分子水平之間的關系，以及評估氧化還原活性藥物治療后64Cu-ATSM信號的變化。研究結果表明64Cu-ATSM信號反映了氧化還原狀態，而改變氧化還原狀態會影響64Cu-ATSM的代謝，這些發現對于將64Cu-ATSM用作氧化還原療法的預測標記具有暗示意義。

2.2 64Cu-ATSM與乏氧顯像

利用金屬正電子核素標記的64Cu-ATSM進行PET顯像，對乏氧進行定性和定量檢測，是目前64Cu-ATSM腫瘤乏氧顯像的熱點之一。

64Cu-ATSM是用于缺氧腫瘤成像非常有前途的PET放射性藥物。與其他缺氧示蹤劑相比，該化合物的優勢之一是提供了高的腫瘤背景信號，該信號可以促進對腫瘤的描述。Lopci等[33]應用64Cu-ATSM對18例局部晚期非小細胞肺癌或頭頸癌的患者進行PET顯像。結果顯示：所有患者均顯示腫瘤病變中64Cu-ATSM的攝取有中度至高度增加，缺氧腫瘤體積（Hypoxic Tumor Volume，HTV）＞160.7 cm3（AUC，0.61；敏感性，55.6%；特異性，75%）和缺氧負荷（Hypoxic Burden，HB）＞160.7（AUC，0.67；敏感性，58.3%；特異性，83.3%）。表明在64Cu-ATSM PET/CT上定義最佳的半定量和定量參數似乎是可行的。Lopci等[34]進行了另一項對5例癌癥患者64Cu-ATSM PET/CT顯像的研究，方法是根據體型靜脈注射64Cu-ATSM，并在PET/CT上60 min（早期）和16 h（延遲）成像。結果顯示所有腫瘤病變在早期評估中均顯示出對64Cu-ATSM的攝取增加，在1 h獲得的所有半定量數據均與延遲成像獲得的參數一致（P＞0.05），證實早期和延遲獲取的64Cu-ATSM PET/CT圖像在評估腫瘤病變方面的一致性。Grassi等[35]納入11例頭頸部放化療患者，獲得治療前后的64Cu-ATSM和18F-FDG PET/CT掃描。1 h（早期）和16 h（晚期）后進行64Cu-ATSM掃描，結果顯示64Cu-ATSM掃描在預測新輔助放化療反應中顯示出高敏感性，但特異性較低，早期和晚期掃描之間沒有差異。

Nie等[36]對9名經多普勒超聲診斷為直徑狹窄百分比至少50%的頸動脈粥樣硬化患者，進行64Cu-ATSM PET顯像。研究結果顯示：6例無癥狀的頸動脈粥樣硬化患者中獲得64Cu-ATSM PET/MR成像數據，具有良好的圖像質量。同時在頸動脈斑塊和椎骨斑塊中攝取64Cu-ATSM的患者中，觀察到的目標背景的SUV比率是2倍。研究結果表明64Cu-ATSM PET/MR成像可能是一種臨床診斷方法，幫助醫生診斷易受傷害的頸動脈粥樣硬化。Li等[37]將64Cu-ATSM和64CuCl2在腫瘤組織中的積累和分布與氧氣分壓探針測量結果進行比較，對患有皮下人頭頸部腫瘤和人結腸直腸腫瘤的裸鼠進行1 h動態PET掃描。結果顯示64Cu-ATSM和64CuCl2在腫瘤中顯示出不同的攝取。在人的頭部和頸部異種移植物中，64Cu-ATSM反映了氧氣分壓的測量結果，表明64Cu-ATSM是這種腫瘤類型中缺氧特異性的標志物。

2.3 64Cu-ATSM與腦膠質瘤

膠質瘤起源于腦的膠質細胞，主要包括星形細胞瘤、少突膠質細胞瘤、室管膜瘤和混合型膠質瘤。根據膠質瘤的組織學和生物學特征分級為良性和低度惡性（WHO Ⅰ級、WHO Ⅱ級）和惡性以及高度惡性（WHO Ⅲ級、WHO Ⅳ級）。

惡性腦瘤多形性膠質母細胞瘤（Glioblastoma Multiforme，GBM）的預后往往很差。治療方法以手術、放療和化療為主。缺氧是導致GBM和其他癌癥放療和化療效果下降的因素。Gangemi等[38]報道通過使用64Cu-ATSM放射性示蹤劑PET顯像的1例報告，在PET/CT圖像顯示缺氧部位從早期采集到后期采集放射性示蹤劑的攝取增加，并且64Cu-ATSM PET/CT結果與缺氧標記物HIF-1α的表達高度相關，認為64Cu-ATSM PET/CT是揭示GBM病變體內缺氧區域的有效機制，可以指導臨床醫生選擇GMB患者的治療方案。膠質母細胞瘤中經常發現缺氧區域，缺氧水平升高與膠質母細胞瘤患者的臨床效果差有關。Yoshii等[39]研究了64Cu-ATSM在帶有U87MG膠質母細胞瘤腫瘤的小鼠中的治療功效，通過64Cu-ATSM的單劑量和多劑量的使用，觀察到在高劑量組中單次施用64Cu-ATSM抑制了腫瘤的生長并延長了生存期，同時出現了輕微和逆向的不良反應跡象。而實施多種64Cu-ATSM劑量的方法顯著抑制腫瘤生長并延長生存期，但是并沒有觀察到不良反應的跡象。該研究發現表明多次使用64Cu-ATSM在膠質母細胞瘤中具有有效的抗腫瘤作用，其可以對這種疾病進行治療。

缺氧在膠質母細胞瘤等惡性腦腫瘤的預后中起著重要作用，因為缺氧會引起藥物傳遞缺陷和在腫瘤細胞中誘導缺氧誘導因子-1α。Matsumoto等[40]報道了以缺氧為目標的內部放療劑64Cu-ATSM的多次給藥（間隔1或2周），顯示對膠質母細胞瘤具有抗腫瘤作用。該研究還通過對小鼠進行了7 d的靜脈內毒性研究，未觀察到小鼠的不良反應。研究結果表明：以64Cu-ATSM治療，包含64Cu-ATSM和ATSM的研究藥物制劑可以安全地每周1次向患者給藥，同時由于臨床病例較少，還需要更多的臨床數據進行驗證。Pérès等[41]在小鼠接種C6細胞后14 d（18F-FMISO），15 d（64Cu-ATSM和64Cu-Cl2）和 16 d（64Cu-ATSM 和64Cu-Cl2）進 行 μPET顯像。此后，對小鼠大腦進行進一步的放射自顯影和免疫組織化學檢查。研究表明64Cu-ASTM和64Cu-Cl2即銅絡合物會在腫瘤的低氧區域積聚。這種攝取可能是對氧化還原代謝直接依賴性的反映，也是低氧誘導的轉運蛋白過度表達的反映。

2.4 64Cu-ATSM與腫瘤放射性治療

腫瘤乏氧是放射治療效果差、腫瘤復發及轉移的重要影響因素。乏氧顯像引導的調強放療能夠在不影響正常組織的情況下，做到更明確的生物靶區的細化，并確定對放射治療不同敏感程度的區域，制定個體化的放射治療方案。

應用64Cu-ATSM乏氧顯像與放射治療精密結合，能夠實現放射治療過程的優化，其在腫瘤靶區的勾畫方面比傳統的解剖學影像更準確，且更具優勢。Martinez等[42]提出利用正電子金屬64Cu-ATSM靶向缺氧區域，由于其在還原的組織中沉積銅金屬的能力而作為放射增敏劑的新用途，證明高濃度低能量光子的64Cu-ATSM可以增加缺氧腫瘤區域的劑量沉積。Clausen等[43]進行64Cu-ATSM在犬腫瘤中攝取3 h和24 h的臨界值和劑量區域定義具有不同的區域劑量遞增水平定位的研究，表明在放射療法治療計劃中使用劑量繪畫策略時，應當考慮不同時間點提供的不同生物學信息。Zornhagen等[44]使用18F-FDG、64Cu-ATSM和18F-FLT在10份4.5 Gy放射治療前、中、后，分別對患有纖維肉瘤的狗進行成像。所得PET圖像顯示，在治療期間，所有示蹤劑的攝取均下降，每個示蹤劑提供了有關腫瘤異質性和治療反應的獨特信息，該研究表明個性化治療計劃和監測的重要性。

Yoshii等[45]通過使用抑制核酸抗代謝物修復DNA來增強64Cu-ATSM內部放射治療療效的策略，發現在體內64Cu-ATSM治療研究中，抑制核酸抗代謝藥和64Cu-ATSM的共同給藥協同抑制腫瘤生長，幾乎沒有毒性，并有效減少CD133（+）癌干樣細胞。同時64Cu-ASTM治療人類結腸癌HT-29模型中具有靶向激活DNA修復高濃度CD133（+）細胞的惡性腫瘤區域。Yoshii等[46]另一項研究表明64Cu-ATSM治療可有效增強貝伐單抗引起的血管減少和缺氧的腫瘤抗腫瘤作用，表明64Cu-ATSM治療可能是抗血管生成治療的一種新方法。

3 總結與展望

金屬正電子分子探針64Cu-ATSM在乏氧顯像中對腫瘤治療前療效預測及預后評估、早期療效評估、優化治療方案等方面發揮重要臨床應用價值。通過64Cu-ATSM的乏氧顯像與放射治療精密結合可以實現放射過程的優化，即乏氧靶向調強放療，使臨床可以選擇性地對乏氧區域進行高劑量照射而不增加正常組織的照射和損傷。同時作為腫瘤的靶向治療藥物，64Cu-ATSM在腦膠質瘤的治療中顯示出了積極的治療效果。

現階段，64Cu-ATSM尚未進行大量的臨床試驗研究，處于臨床前期研究階段，相關的臨床試驗病例樣本數據較少。隨著核醫學和分子生物學等交叉學科的不斷發展，核醫學影像設備的不斷推陳出新，更多的臨床試驗開展，金屬正電子核素標記的64Cu-ATSM在核醫學分子影像領域前景廣闊，在疾病診斷、治療方面都有著巨大的潛能。同時也可以優化醫療決策，對臨床學科的發展起到更大的促進作用。