李新平 王燕 盧國(guó) 李艷靜 于雪 侯文彬 劉昌孝

1天津大學(xué)化工學(xué)院 300072；2米度（南京）生物技術(shù)有限公司藥理研究部211100；3蘇州大學(xué)藥學(xué)院 215006；4天津藥物研究院釋藥技術(shù)與藥代動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 300193

PET是目前最先進(jìn)的核醫(yī)學(xué)和分子影像學(xué)設(shè)備，能從分子水平上反映組織的生理、病理、生化、代謝等功能性變化和體內(nèi)受體的分布情況，故也被稱作分子顯像或生化顯像。PET于20世紀(jì)80年代末期應(yīng)用于臨床醫(yī)療，在腫瘤、心血管、神經(jīng)精神、免疫系統(tǒng)、糖尿病等疾病的診斷和病理生理機(jī)制研究中發(fā)揮重要作用[1-3]。在藥代動(dòng)力學(xué)（pharmacokinetics，PK）研究中，PET分子顯像也扮演著越來(lái)越重要的角色。

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

為加快新藥研發(fā)進(jìn)程，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，21世紀(jì)初葛蘭素史克（GSK）、輝瑞（Pfizer）、禮來(lái)（Lilly）等一批國(guó)際制藥業(yè)巨頭紛紛建立PET分子影像藥物研發(fā)平臺(tái)，其中規(guī)模最大的葛蘭素史克轉(zhuǎn)化影像中心擁有兩臺(tái)回旋加速器并配備了20個(gè)研發(fā)熱室和多臺(tái)PET/CT。以PET為主要技術(shù)手段的分子影像技術(shù)在美、歐、日等發(fā)達(dá)國(guó)家已被廣泛應(yīng)用于新藥研發(fā)并寫(xiě)入相關(guān)政策法規(guī)和指導(dǎo)原則[4-6]。PET顯像結(jié)果可作為臨床試驗(yàn)的終點(diǎn)，目前已有數(shù)千個(gè)臨床試驗(yàn)的評(píng)價(jià)采用PET分子影像技術(shù)。

我國(guó)首臺(tái)人體PET于1995年落戶于山東淄博萬(wàn)杰醫(yī)院，目前全國(guó)裝機(jī)總數(shù)已達(dá)330臺(tái)。2006年，衛(wèi)生部核醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室江蘇省原子醫(yī)學(xué)研究所從德國(guó)西門(mén)子公司引進(jìn)國(guó)內(nèi)首臺(tái)小動(dòng)物PET，專門(mén)用于新藥研發(fā)和藥學(xué)評(píng)價(jià)，這標(biāo)志著在國(guó)內(nèi)利用專有PET設(shè)備和分子顯像技術(shù)從事藥學(xué)研究工作的開(kāi)始。2009年安迪科醫(yī)藥集團(tuán)與江蘇省原子醫(yī)學(xué)研究所合作成立“江原安迪科分子核醫(yī)學(xué)研究中心”，并于2010年8月建立了國(guó)內(nèi)首家“分子影像醫(yī)藥研發(fā)外包（MI-CRO）”公共服務(wù)平臺(tái)，該平臺(tái)逐步發(fā)展為國(guó)內(nèi)第一家分子影像CRO-米度（南京）生物技術(shù)有限公司（米度生物）。

2 PET分子顯像應(yīng)用

PET成像的原理是利用正電子放射性核素發(fā)生湮滅反應(yīng)（annihilation）時(shí)產(chǎn)生的一對(duì)能量相同（511 keV）方向相反的強(qiáng)穿透γ光子進(jìn)行精確定位的計(jì)算機(jī)斷層顯像[7]。藥學(xué)研究中，把醫(yī)用回旋加速器或核反應(yīng)堆生產(chǎn)的正電子放射性核素（如18F、11C、15O、13N、64Cu、89Zr和124I等）標(biāo)記在特定化合物上（藥物、內(nèi)源性化合物或生化標(biāo)志物），這些標(biāo)記化合物也被稱為PET示蹤劑，該過(guò)程可以形象地比喻為給分子裝上“GPS”，之后利用PET技術(shù)示蹤“GPS”，展示藥物在體內(nèi)吸收、分布、代謝、排泄等過(guò)程，即利用PET示蹤，可以無(wú)創(chuàng)、動(dòng)態(tài)、定量地觀察標(biāo)記物在體內(nèi)的PK過(guò)程[8-9]。目前PET掃描靈敏度可達(dá)到10-10～10-8mol/L，小動(dòng)物PET掃描的分辨率可達(dá)到1 mm左右，臨床PET分辨率可達(dá)到2～3 mm[10]。

2.1 血漿PK研究

藥物經(jīng)給藥部位進(jìn)入機(jī)體后，被吸收進(jìn)入血液再分布到靶組織，對(duì)血漿PK的研究至關(guān)重要。傳統(tǒng)藥學(xué)研究方法難以在動(dòng)物或人身上獲得連續(xù)密集多時(shí)間點(diǎn)的血藥濃度數(shù)據(jù)，不能完整展現(xiàn)藥物在體內(nèi)的動(dòng)態(tài)分布過(guò)程[11]，而PET分子影像可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。

Wu等[12]利用PET分子影像示蹤技術(shù)，動(dòng)態(tài)觀測(cè)小鼠血液在快速通過(guò)心肺循環(huán)各結(jié)構(gòu)時(shí)的時(shí)間分辨率，評(píng)價(jià)血液通過(guò)時(shí)間與心血管疾病的關(guān)系。給小鼠注射18F-FDG后，可以清晰地觀察到18F-FDG在9 s內(nèi)從下腔靜脈→右心房→右心室→肺→左心房→左心室→主動(dòng)脈的動(dòng)態(tài)輸送全過(guò)程。米度生物觀察氨基酸代謝示蹤劑18F-BPA（boronophenylalanine）經(jīng)靜脈注射給予舌癌SAS模型荷瘤鼠后動(dòng)態(tài)PET掃描1 h的吸收分布，利用醫(yī)學(xué)分析軟件（PMOD）勾畫(huà)左心室為ROI區(qū)域獲得血藥濃度，再利用藥物與統(tǒng)計(jì)（drug and statistics，DAS）軟件計(jì)算18F-BPA的半衰期，為147.92 min[13]，其結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的L-BPA的半衰期接近[14]。這些研究結(jié)果顯示了PET分子顯像技術(shù)對(duì)藥物追蹤觀察和定量測(cè)量的能力，充分展現(xiàn)了PET動(dòng)態(tài)顯像及高時(shí)間分辨率的優(yōu)勢(shì)，即能夠可視化觀察藥物在體內(nèi)的動(dòng)態(tài)行為并獲得PK參數(shù)。

PET分子顯像技術(shù)不僅可應(yīng)用于臨床前研究，在臨床研究中也被廣泛開(kāi)展，而且可以與傳統(tǒng)研究方法結(jié)合，更好地獲得藥物的PK行為。Li等[15]將動(dòng)態(tài)PET掃描和傳統(tǒng)PK方法（LC-MS/MS）結(jié)合，考察了1-（2′-脫氧-2′-氟代-β-D-阿拉伯呋喃糖基）尿嘧啶（1-（2′-deoxy-2′-fluoro-β-D-arabinofuranosyl）uracil，F(xiàn)AU）的血漿和腫瘤藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。FAU是一種嘧啶核苷酸類似物，在胞內(nèi)胸苷酸合酶作用下形成1-（2-脫氧-2-氟代-β-D-阿拉伯呋喃糖基） 5-磷酸胸腺嘧啶（1-（2-deoxy-2-fluoro- β-D-arabinofuranosyl） 5-methyluracil monophosphate，F(xiàn)MAU），F(xiàn)MAU整合到DNA中，可導(dǎo)致細(xì)胞死亡。研究結(jié)果表明，12例腫瘤患者血漿放射性-時(shí)間曲線符合二房室模型動(dòng)力學(xué)特征。FAU和FMAU的PK模型同時(shí)符合LC-MS/MS檢測(cè)的血漿藥物濃度和PET檢測(cè)的肝臟和腫瘤藥物濃度，且該模型可以預(yù)測(cè)PET檢測(cè)總藥物濃度中原型藥FAU和代謝藥FMAU的組成比例。B?rjesson等[16]利用PET掃描和采集血樣進(jìn)行放射性計(jì)數(shù)兩種方式觀察89Zr標(biāo)記嵌合單克隆抗體U36在20例頭頸癌患者體內(nèi)的PK情況，結(jié)果顯示，PET對(duì)左心室血池活性的定量測(cè)定與采集血樣進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果一致性良好（體重＞100 kg的患者除外）。89Zr標(biāo)記單克隆抗體成像（immuno-PET）可用于定量評(píng)價(jià)抗體藥物的生物學(xué)分布、攝取、器官滯留時(shí)間，有助于進(jìn)一步指導(dǎo)臨床用藥。

2.2 藥物組織分布研究

相比于血漿藥物濃度，藥效的發(fā)揮與靶組織藥物濃度及其隨時(shí)間變化情況更加息息相關(guān)。

組織藥物濃度達(dá)峰時(shí)間一般晚于血漿藥物濃度達(dá)峰時(shí)間，通常情況兩者之間的差異達(dá)數(shù)量級(jí)。并且組織中的藥物與作用靶點(diǎn)以一定的結(jié)合和解離速率相互作用，導(dǎo)致達(dá)到最大靶點(diǎn)作用所需的時(shí)間比組織藥物濃度達(dá)峰時(shí)間更長(zhǎng)，且靶點(diǎn)作用的消失也會(huì)有相應(yīng)延遲。因此，給藥與藥效之間關(guān)系復(fù)雜，包括發(fā)生速率、量級(jí)和持續(xù)時(shí)間等。傳統(tǒng)研究中活體動(dòng)物和（或）臨床研究只能獲得動(dòng)物或受試者血漿PK數(shù)據(jù)，無(wú)法同時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)物或受試者的組織藥物暴露量[16]。而組織分布研究需要處死動(dòng)物，無(wú)法在同一只動(dòng)物身上獲得多時(shí)間點(diǎn)的組織分布數(shù)據(jù)，不能實(shí)現(xiàn)自身對(duì)照。PET分子影像技術(shù)可以很好地解決上述問(wèn)題。不管是小分子化合物，還是大分子化合物如多肽類、蛋白、抗體乃至于細(xì)胞等，都可以利用PET分子影像技術(shù)在活體中直觀、形象、定量觀察到這些藥物的生物分布及PK變化。此外，PET分子顯像技術(shù)可克服組織中抗體藥物檢測(cè)時(shí)內(nèi)源性物質(zhì)干擾的問(wèn)題。

米度生物采用89Zr標(biāo)記程序性細(xì)胞死亡蛋白1配體（programmed cell death protein 1 ligand, PDL1）抗體，觀察其在黑色素瘤荷瘤小鼠體內(nèi)的腫瘤靶向和分布特征，結(jié)果顯示，Micro PET掃描可以清晰地看到放射性物質(zhì)在腫瘤組織處有明顯的特異性濃聚，而在其他非靶臟器中的攝取相對(duì)較低、清除較快[17]。該結(jié)果提示89Zr-PD-L1具有良好的腫瘤靶向性，為藥效評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)提供了依據(jù)。類似的研究，如劉現(xiàn)忠等[18]使用Micro PET顯像檢測(cè)葉酸受體靶向性放射性藥物68Ga-1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷-1,4,7,10-四乙酸-賴氨酸-葉酸（68Ga-DOTA-lys-FA）在荷瘤鼠體內(nèi)的生物學(xué)分布。盡早檢測(cè)腫瘤對(duì)治療的反應(yīng)對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)有效的治療方案至關(guān)重要。派姆單抗是一種人源化單克隆抗體，作用于T細(xì)胞或B細(xì)胞前體上的程序性細(xì)胞死亡蛋白1。England等[19]研究結(jié)果顯示，89Zr標(biāo)記派姆單抗在大鼠和小鼠體內(nèi)的生物學(xué)分布和PK性質(zhì)相似，經(jīng)血液運(yùn)輸后穩(wěn)定聚集在肝臟和脾臟。同時(shí)在人源化小鼠模型中，在T細(xì)胞浸潤(rùn)的唾液腺和淚腺也能成功顯像。也有研究者將PET掃描與光學(xué)成像結(jié)合，研究89Zr-西妥昔單抗-紅外熒光探針（89Zrcetuximab-IR）在表皮癌A431荷瘤裸鼠體內(nèi)的組織分布[20]。此外，PET顯像技術(shù)還可以應(yīng)用于干細(xì)胞活體分布研究，米度生物[21]采用89Zr標(biāo)記干細(xì)胞研究其在正常SD大鼠體內(nèi)的分布特征，研究結(jié)果顯示，標(biāo)記后的細(xì)胞體外增殖能力接近未標(biāo)記細(xì)胞。體內(nèi)示蹤顯示89Zr-干細(xì)胞經(jīng)注射進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)后，主要分布于肺臟、肝臟和心臟等臟器。T細(xì)胞、嵌合抗原受體T細(xì)胞（CAR-T細(xì)胞）等也可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)記進(jìn)行體內(nèi)示蹤。

目前臨床給藥劑量和間隔只能通過(guò)動(dòng)物藥效數(shù)據(jù)推導(dǎo)，人體中也只能通過(guò)血藥濃度與最終藥效關(guān)聯(lián)，通過(guò)藥效結(jié)果反推血藥濃度暴露量，缺乏直接發(fā)揮藥效作用的靶器官藥物暴露量這一關(guān)鍵數(shù)據(jù)。PET分子顯像可以將血藥濃度、靶器官暴露量、藥效指標(biāo)3者緊密關(guān)聯(lián)，精準(zhǔn)地制定臨床給藥劑量和給藥間隔，為后續(xù)建立PK/藥效學(xué)模型、藥物給藥劑量和給藥間隔的制定奠定基礎(chǔ)，也為血藥濃度與毒性靶器官及人體安全性相關(guān)模型的研究提供支持。Burns等[22]利用特異性示蹤劑18F-MK-9470觀察其在恒河猴和人體內(nèi)的PK行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，恒河猴被注射示蹤劑60～120 min后，18F-MK-9470主要分布在大腦灰質(zhì)[與大麻素受體1（cannabinoid receptor 1，CB1R）相結(jié)合]，在腦白質(zhì)中的分布明顯較少。在120 min時(shí)通過(guò)靜脈推注和輸注給予MK-0364（與18F-MK-9470結(jié)合相同位點(diǎn)），可以觀察到放射性顯像劑在殼核、枕皮質(zhì)、小腦和丘腦等部位迅速降低，這說(shuō)明18F-MK-9470與CB1R的結(jié)合可逆。利用PET顯像和影像分析軟件觀察不同MK-0364給藥劑量對(duì)18F-MK-9470的CB1R占有率的影響可獲得兩者關(guān)系圖。18F-MK-9470在人體試驗(yàn)中與恒河猴體內(nèi)的PK行為相似，并具有良好的重現(xiàn)性。采用此方法建立的PK/藥效學(xué)模型可以推廣到臨床，通過(guò)檢測(cè)患者血漿中的MK-0364濃度即可預(yù)測(cè)藥效。

PET分子顯像技術(shù)應(yīng)用于組織代謝方面的研究也越來(lái)越多，尤其是腫瘤代謝研究。在腫瘤治療中，采用代謝腫瘤體積計(jì)算臨床靶標(biāo)體積比總腫瘤體積計(jì)算更精確，可以指導(dǎo)靶向性評(píng)價(jià)和給藥劑量的確定，疾病復(fù)發(fā)也與代謝腫瘤體積相關(guān)。Frosina[23]報(bào)道了PET用于高級(jí)別神經(jīng)膠質(zhì)瘤的研究。18F-氟胸苷（18F-fluorothymidine,18F-FLT）是應(yīng)用于神經(jīng)膠質(zhì)瘤分級(jí)的細(xì)胞增殖示蹤劑，PET/CT成像可以觀察患者腫瘤代謝體積，還可研究核苷轉(zhuǎn)運(yùn)體在鼻腔到腦的生物學(xué)分布[24]。Palner等[25]以18F-C-SNAT（C-SNAT為半胱天冬酶敏感的納米聚集示蹤劑）為示蹤劑，利用PET技術(shù)研究荷瘤鼠注射阿霉素化療后腫瘤細(xì)胞凋亡變化情況。Lamichhane等[26]以18F標(biāo)記的卡鉑衍生物（18F-fluorinated carboplatin，18F-FCP）為示蹤劑利用PET技術(shù)研究藥物在不同腫瘤模型內(nèi)的分布。18F-FDG、18F-精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（18F-RGD）、O-（2-18F-氟乙基）-L-酪氨酸（18F-FET）、S-11C-甲基-L-半胱氨酸（11C-MCYS）和N-（2-18F-氟丙?；?L-谷氨酰胺（18F-FPGLN）等PET示蹤劑已被廣泛應(yīng)用于腫瘤診斷檢測(cè)[27-30]。鈉碘轉(zhuǎn)運(yùn)體（sodium-iodide symporter, NIS）可以介導(dǎo)甲狀腺濾泡細(xì)胞的碘濃聚，從而成為多種甲狀腺良惡性疾病診斷和治療的分子生物學(xué)基礎(chǔ)。Jiang等[31]用NIS的特異性顯像劑18F-四氟硼酸鹽（18F-TFB）進(jìn)行研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，NIS在甲狀腺、唾液腺和胃組織的相關(guān)細(xì)胞中呈特異性高表達(dá)。Boumezbeur等[32]分別使用18F-FDG進(jìn)行PET掃描和13C磁共振波普研究猴腦糖酵解速率和三羧酸循環(huán)流出率。還有研究使用6-18F-氟代-L-3, 4-二羥基苯丙氨酸（18F-FDOPA）建立多房室模型模擬食蟹猴體內(nèi)多巴胺的合成、存儲(chǔ)和新陳代謝變化[33]。Mukai等[34]利用PET成像技術(shù)研究核酸藥物在體內(nèi)的PK及其傳輸系統(tǒng)，進(jìn)行代謝物分析。此外，5-（2′-18F-氟乙基）氟馬西尼（18F-FETNIM）具有較低的外周代謝，幾乎不脫氟，且易被乏氧組織攝取，可用作乏氧顯像[35]。

2.3 藥物相互作用研究

在藥物研發(fā)階段，新藥和其他藥物的相互作用是藥物安全性和有效性評(píng)價(jià)的一部分。當(dāng)藥物作為酶和（或）轉(zhuǎn)運(yùn)體的底物，而同時(shí)使用的另一種藥物是該酶和（或）轉(zhuǎn)運(yùn)體的抑制因子，此時(shí)藥物血漿暴露量將顯著改變。PET分子顯像技術(shù)在藥物相互作用研究中也被應(yīng)用。

Traxl等[36]使用PET研究酪氨酸激酶抑制劑11C-埃羅替尼（11C-erlotinib）在正常小鼠和Mdr1a/b（-/-）Bcrp1（-/-）小鼠的體內(nèi)分布。在缺乏P-糖蛋白（P-glycoprotein，P-gp）和乳腺癌抗性蛋白（breast cancer resistance protein，Bcrp）的情況下11C-erlotinib在肝臟的清除率下降了3倍，肝臟的保留時(shí)間延長(zhǎng)，但是血漿的暴露量不變，表明P-gp和Bcrp介導(dǎo)了肝臟中11C-erlotinib或其代謝產(chǎn)物的清除[37]。Bauer等[38]也報(bào)道了11C-erlotinib可以用于藥物相互作用的研究。另一項(xiàng)研究中，11C-SC-62807在Bcrp基因敲除的小鼠體內(nèi)腎清除率降低了99%，同時(shí)腎臟暴露量增加了7倍[39]，這說(shuō)明小鼠體內(nèi)腎小管分泌11C-SC-62807主要由Bcrp介導(dǎo)。Takashima等[40]使用PET觀察11C標(biāo)記（15R）-16-m-甲苯基-17,18,19,20-四環(huán)異碳環(huán)素甲酯（15R-11C-TIC-Me）的肝臟攝取和膽汁排泄過(guò)程，（15R）-11C-TIC-Me是一種中樞性前列腺素受體的示蹤劑，在正常人體試驗(yàn)中，口服利福平會(huì)導(dǎo)致15R-11C-TIC-Me示蹤劑在肝臟攝取和膽汁排泄的降低，其原因是利福平抑制了基底外側(cè)陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和多藥耐藥相關(guān)蛋白2。Wanek等[41]應(yīng)用PET技術(shù)對(duì)P-gp（ABCB1/Abcb1a）介導(dǎo)的藥物相互作用進(jìn)行研究，同時(shí)關(guān)注底物對(duì)ABCB1親和力、放射性代謝產(chǎn)物的腦攝取情況、麻醉和腦血流量等。

3 總結(jié)與展望

PK研究是了解藥物作用的基石，也是藥物開(kāi)發(fā)中必不可少的環(huán)節(jié)?；赑ET分子成像技術(shù)的PK研究可同時(shí)在時(shí)間和空間上提供藥物在血液和組織中的濃度，是一種有效的藥物動(dòng)力學(xué)分析工具。通過(guò)標(biāo)記藥物，PET可以直接監(jiān)測(cè)組織中的藥物濃度，并定義組織與血漿PK模型中的交換參數(shù)，從而建立PK/藥效學(xué)模型的第一部分。通過(guò)微分方程描述濃度變化及不同房室間的藥物交換，并將計(jì)算得出的曲線擬合到實(shí)際組織曲線對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化獲得該模型的參數(shù)[42]。臨床前研究可以動(dòng)態(tài)、定量、精準(zhǔn)獲取小動(dòng)物體內(nèi)PK/藥效學(xué)數(shù)據(jù)，降低藥研成本、縮短研發(fā)周期、加快新藥上市。臨床研究方面，利用人體PET等分子影像技術(shù)開(kāi)展臨床0期研究及指導(dǎo)個(gè)體化醫(yī)療實(shí)踐，加快藥物研發(fā)，降低失敗風(fēng)險(xiǎn)，服務(wù)人類健康，為科研成果直接轉(zhuǎn)化開(kāi)辟出新途徑。此外，PET顯像在藥物不良作用、藥物給藥途徑、藥物劑量學(xué)、藥物立體結(jié)構(gòu)和動(dòng)物種類對(duì)藥物療效影響、移植治療監(jiān)測(cè)及中醫(yī)藥學(xué)研究中也具有重要價(jià)值。

分子成像技術(shù)是全球生物醫(yī)學(xué)戰(zhàn)略研究熱點(diǎn)之一，主要包括PET、SPECT、MRI、光學(xué)成像、超聲影像等，不同成像模式各具備一定的優(yōu)缺點(diǎn)。多模態(tài)顯像可以相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，也是未來(lái)發(fā)展的重要方向。其中PET可使用多種生物探針進(jìn)行精準(zhǔn)定量，應(yīng)用于PK/藥效學(xué)、受體結(jié)合、細(xì)胞代謝、基因表達(dá)等多方面研究[43]?？傮w上說(shuō)，PET是這其中靈敏度和定量能力最高的技術(shù)，也是目前應(yīng)用于臨床的最高端的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)。